[發(fā)明專(zhuān)利]一種使用斜入射波的電磁成像系統(tǒng)與方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201610239853.X
• 申請(qǐng)日: 2016-04-18
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN105929395B
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-03-16
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 孟慶陽(yáng);皇甫江濤;冉立新
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01S13/89
• 分類(lèi)號(hào): G01S13/89
• 代理公司: 杭州求是專(zhuān)利事務(wù)所有限公司33200
• 代理人: 林超

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及了一種電磁成像系統(tǒng)，尤其是涉及了一種使用斜入射波的電磁成像系統(tǒng)與方法。

背景技術(shù)

當(dāng)電磁波的傳播遇到與背景物質(zhì)的介電常數(shù)或磁導(dǎo)率存在差異的物體時(shí)，電磁波會(huì)發(fā)生散射。通過(guò)探測(cè)并精確測(cè)量散射場(chǎng)，人們可以通過(guò)各種方法來(lái)獲得散射體的位置、形狀、介電常數(shù)等信息。這一技術(shù)可被廣泛應(yīng)用于隔墻成像、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查和生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。

在傳統(tǒng)的二維電磁成像系統(tǒng)中，發(fā)射天線與接收天線位于同一個(gè)平面。由于收發(fā)天線之間可能存在遮擋以及收發(fā)天線間存在互耦，這給測(cè)量的準(zhǔn)確性和數(shù)據(jù)處理造成了不便。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了避免傳統(tǒng)二維電磁成像系統(tǒng)中存在的收發(fā)天線之間存在的遮擋以及收發(fā)天線間存在的互耦問(wèn)題，提供了一種使用斜入射波的電磁成像系統(tǒng)與方法，可廣泛應(yīng)用于隔墻成像、無(wú)損檢測(cè)、安全檢查和生物醫(yī)學(xué)診斷等領(lǐng)域。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一、一種使用斜入射波的電磁成像系統(tǒng)：

系統(tǒng)包括矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、射頻功率放大器、微波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)、轉(zhuǎn)臺(tái)和收發(fā)天線，散射體固定于轉(zhuǎn)臺(tái)上，散射體的周?chē)貓A周間隔均布有多根接收天線，所有接收天線均連接到微波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)微波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)選通所需的接收天線工作，微波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端連接，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端經(jīng)射頻功率放大器與發(fā)射天線連接，發(fā)射天線從斜上方朝向散射體輻射。

所述的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和微波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)均連接到計(jì)算機(jī)。

所述的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸出端通過(guò)同軸線經(jīng)過(guò)射頻功率放大器連接到發(fā)射天線。

所述的微波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)設(shè)有單片機(jī)，單片機(jī)連接到計(jì)算機(jī)。

所述的發(fā)射天線與接收天線不在同一個(gè)平面內(nèi)。

二、一種使用斜入射波情況下的電磁成像方法：

1)采用所述系統(tǒng)，轉(zhuǎn)臺(tái)上不置有散射體，接收天線圍繞形成的成像區(qū)域無(wú)散射體，通過(guò)微波開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)依次選通每一根接收天線，測(cè)量獲得發(fā)射天線與每一個(gè)接收天線之間的散射參數(shù)，作為入射場(chǎng)數(shù)據(jù)；

2)在轉(zhuǎn)臺(tái)上固定放置散射體，測(cè)量發(fā)射天線與每一個(gè)接收天線之間的散射參數(shù)，作為總場(chǎng)數(shù)據(jù)；

3)將轉(zhuǎn)臺(tái)多次轉(zhuǎn)動(dòng)，每次轉(zhuǎn)過(guò)相同角度，每次轉(zhuǎn)動(dòng)重復(fù)步驟2)進(jìn)行測(cè)量，依次獲得所有總場(chǎng)數(shù)據(jù)；

4)將每次測(cè)量的總場(chǎng)數(shù)據(jù)與入射場(chǎng)數(shù)據(jù)相減，得到每次測(cè)量的散射場(chǎng)數(shù)據(jù)將接收天線圍繞形成的成像區(qū)域平均劃分為N個(gè)子區(qū)域，根據(jù)每個(gè)子區(qū)域的中心點(diǎn)位置獲得每?jī)蓚€(gè)子區(qū)域中心點(diǎn)位置之間的格林函數(shù)以及每個(gè)子區(qū)域中心點(diǎn)位置和接收天線位置之間的格林函數(shù)；

5)建立目標(biāo)函數(shù)使用優(yōu)化算法求解目標(biāo)函數(shù)的最小值，獲得子區(qū)域的對(duì)比度的對(duì)角矩陣進(jìn)而獲得成像區(qū)域內(nèi)的介電常數(shù)分布，完成對(duì)成像區(qū)域的電磁成像。

所述步驟5)中的目標(biāo)函數(shù)采用以下公式：

其中，表示函數(shù)中間變量，表示第p次測(cè)量的函數(shù)中間變量，表示第p次測(cè)量的散射場(chǎng)數(shù)據(jù)，表示第p次測(cè)量截?cái)喃@得的等效輻射電流的確定部分，p表示測(cè)量次數(shù)的序數(shù)，N_i表示測(cè)量總次數(shù)；為子區(qū)域中心點(diǎn)位置與接收天線位置之間的格林函數(shù)矩陣，為每?jī)蓚€(gè)子區(qū)域中心點(diǎn)位置之間的格林函數(shù)矩陣，為截?cái)嗍Ｓ嗪蟮?N-L個(gè)右奇異向量組成的矩陣，為每個(gè)子區(qū)域處的入射場(chǎng)，為子區(qū)域?qū)Ρ榷鹊膶?duì)角矩陣，對(duì)角元素為每個(gè)子區(qū)域的對(duì)比度。

所述第p次測(cè)量獲得的等效輻射電流的確定部分采用以下方式進(jìn)行計(jì)算：

5.1)將子區(qū)域中心點(diǎn)位置與接收天線位置之間的格林函數(shù)的矩陣采用以下公式進(jìn)行奇異值分解：

其中，表示第j個(gè)右奇異向量，表示第j個(gè)左奇異向量，σ_j表示第j個(gè)奇異值，j表示奇異值的序數(shù)；

5.2)選取一截?cái)嘀礚，L<3N，通過(guò)步驟3)獲得的散射場(chǎng)采用以下公式計(jì)算出等效輻射電流的確定部分

其中，表示第j個(gè)左奇異向量的共軛轉(zhuǎn)置。

所述步驟5)中的優(yōu)化算法具體采用共軛梯度算法，首先使用共軛梯度算法計(jì)算獲得目標(biāo)函數(shù)中間變量再利用最小二乘算法計(jì)算獲得子區(qū)域?qū)Ρ榷鹊膶?duì)角矩陣然后重復(fù)上述步驟不斷迭代，直至目標(biāo)函數(shù)的值小于迭代閾值，迭代計(jì)算結(jié)束，最后獲得的子區(qū)域?qū)Ρ榷鹊膶?duì)角矩陣作為最終結(jié)果。

所述步驟3)中轉(zhuǎn)臺(tái)多次轉(zhuǎn)動(dòng)的總旋轉(zhuǎn)角度大于360度。

本發(fā)明具有的有益效果是：