非均匀背景下导体与介质同时成像的微波逆散射方法研究

The inhomogeneous detection problem has attracted vast attentions due to its wide application in geological exploration, security check, medical imaging and through wall imaging. The research for inhomogeneous background detection is mostly under the assumption of dielectric medium and scatterers. However, it is of more practical importance to simultaneously image the conductor and dielectric scatterers in inhomogeneous background medium, such as detecting the concrete walls in through wall imaging problem and imaging the human body with concealed knifes in security check. The research in this topic focuses on the simultaneous detection of the conductor and dielectric scatterer in inhomogeneous background medium. In order to achieve super-resolution, we will further investigate the quantitative method--T matrix method and utilize the subspace based optimization method to construct the inhomogeneous model. The problem is equivalent into a nonlinear optimization problem and regularization method is used to stabilize the ill-conditioned problem. Experimental data will be used to test the algorithm against the noise. Therefore the theoretical and technical foundation of this nonlinear imaging method in the practical field will be established.

非均匀背景探测问题，因其在地质勘探﹑安全检查﹑医疗成像和穿墙成像中的实际应用前景，受到非常广泛的关注。目前，国内外对于非均匀背景探测的研究，多基于背景媒质与探测物体是单纯介质的假设。但是在实际应用中，更具有实际意义的是在非均匀背景下，对导体和介质同时成像的问题。例如，穿墙成像中的钢筋混凝土，安检成像中的人体与金属刀具等等。本项目拟针对非均匀背景中导体和介质共同存在的探测问题，在微波逆散射算法的层面上，基于前期相关研究得到的高精度﹑高分辨率的T矩阵定量成像算法，进一步采用基于子空间的迭代方法，构建非均匀背景模型。将该问题等效为非线性求解问题，并使用正则化手段来稳定该不适定性问题，从而实现超分辨率成像。并使用实测数据验证该算法的抗噪声性能。进而，为这种新构建的高分辨率的定量算法的实际应用，奠定理论和技术基础。

本项目的研究目标是在微波逆散射算法层面上，应用T 矩阵法对非均匀背景探测中导体与介质同时存在的问题进行成像。并对仿真（正演）数据和实测数据成像以验证算法的鲁棒性，最终实现高精度、高分辨率的定量成像。为其在穿墙成像，安全检查以及地球勘探等领域的可行性奠定理论基础并提供科学依据。在较好的完成了计划内容的基础上，我们又深入开展了关于逆散射成像新算法S-DBIM的开发，自动化多站散射测试系统的搭建，高增益低副瓣宽带收发天线的研制等一系列研究，并取得了一系列成果。.当介质和导体同时存在时，物体的边界条件未知，因此无法用传统的介电常数统一表示两种物体。本项目提出了基于T矩阵的建模方法，T矩阵包含了物体的边界信息，可以用来判断物体的种类。同时T矩阵也包含了导体的形状信息、以及介质的介电常数信息，因此实现了导体和介质的同时定量成像。针对非均匀背景建模问题，提出了使用均匀背景格林函数的SOP-homo算法，避免了数值计算格林函数引入的误差，且具有低非线性度的特点。使用了基于子空间的迭代方法，并将电流方程本身引入作为正则化项，使散射总场的计算具有更高的精度，从而使优化问题更加稳定且具有鲁棒性。最后使用仿真数据及实验数据共同验证了基于T矩阵的SOP-homo算法可以对非均匀背景下导体和介质同时进行高分辨率、高精度定量成像。.此外，还提出了一种新的基于子空间的变形波恩迭代算法，该算法结合了电流方程与电场方程两种模型，相比于传统的变形波恩迭代算法具有更快的收敛速度与迭代精度。最后在微波暗室中搭建了全自动化多发多收散射场测量系统，实现了多站散射数据测量，运用该数据实现了逆散射成像算法的抗噪声性能验证。基于以上算法与实验的结合，我们成功实现了非均匀背景下导体和介质同时存在时的超分辨率成像。研究成果以第一作者或通信作者在包括IEEE Transactions on Antenna and Propagation在内的本领域重要期刊和国际会议上发表论文13篇，其中SCI4篇，项目负责人及项目组成员参加国际会议8人次，发表特邀报告2次，并组织会议专题2次。硕士生培养4名。