基于压缩感知的近场微波成像系统的设计

论文摘要

电磁波成像在微波和毫米波波段广泛应用于探测和成像远距离物体或环如雷达成像,卫星成像,医疗成像等等。我们通过对比接收信号和发射信号之间的不同去反演推测出待测物体的物理信息。建立更加高效、准确的微波感知系统一直是科研学习的目标,可以结合不同的结构和算法,本文主要结合的是表面波传输线结构和压缩感知算法。本文的研究工作具体如下:首先阐述了逆散射成像理论和压缩感知算法,然后介绍了作为微波感知系统的表面波结构Goubau line表面波传输线。表面波有很高的分辨率——亚波长,此外还有一个极大的优势就是空间束缚性也很高。并且提出频率扫描频率为分散集度的对数据进行扫描,更加高效、快速的一种扫描方式,为微波实时成像奠定了一定的基础。基于上述原理,传输线和数据探测方式,设计了微波成像感知的模型。从电磁学最基本的传输理论,结合表面波传输线的弱散射特征,即本文只集中于讨论弱散射情况,结合格林函数和波恩近似等数学工具,得到端口的反射系数与局部反射系数的数学关系,最后得到由于散射体引起的扰动阻抗和局部反射系数的关系。仅仅只利用远远少于传统要求的测量样本就可以恢复出未知的整体数据集是压缩感知最大的优势,在本文中使用经典的双步迭代阈值算法(TwIST)。结合奇异值分解的分析和使用压缩感知算法进行优化,本文基于设计的微波感知系统和重构算法进行了仿真和实测验证。对比了现在已提出的传输线和所使用的传输线之间的感知能力,本文所使用的结构存在很大优势;在一维的仿真论证中,证实了算法能有效准确的重构一维的单个细小散射体、两个细小散射体;同时对于两个近距离的散射体,该感知系统可以区分相隔5 mm以上的小散射体。该系统也证实了能有效的定位出三个细小散射体。在对于有宽度的散射体重构上,引入重构相位进行辅助帮助区分,即正负相位之间的间隔是接近于宽度散射体的宽度的。在验证过程中也进行的实际测试,实际测试的感知矩阵与重构结果均与仿真一致。最后也进行了微波成像二维的拓展,推导了相关数学优化公式,提出了改进的适合二维矩阵运算的TwIST算法,分别重构了二维的仿真Y字形和实测S字形,结果显示比较良好。最后本文还进行了部分远场的拓展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
•   1.1 课题背景及研究的目的和意义
•   1.2 国内外研究现状
•   1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 压缩感知和逆散射成像基本理论
•   2.1 引言
•   2.2 压缩感知
•     2.2.1 压缩感知基本原理
•     2.2.2 压缩感知恢复算法
•     2.2.3 奇异值分解（SVD）
•   2.3 逆散射成像原理
•   2.4 本章小结
• 第3章 表面波传输线的设计
•   3.1 引言
•   3.2 表面波理论
•     3.2.1 表面波基本理论
•     3.2.2 表面波传输线结构
•     3.2.3 Goubau line传输线的设计
•   3.3 数据探测方式
•   3.4 本章小结
• 第4章 一维近场微波散射成像
•   4.1 引言
•   4.2 压缩感知一维散射成像理论
•     4.2.1 传统波导传输线模型
•     4.2.2 TM传输线的弱散射
•     4.2.3 稀疏恢复
•   4.3 一维散射体仿真和测试结果
•     4.3.1 细小散射体
•     4.3.2 有宽度散射体
•     4.3.3 纵向距离感知范围测试
•     4.3.4 实验测试
•   4.4 与超材料感知线的感知力的对比
•   4.5 本章小结
• 第5章 二维近场微波散射成像
•   5.1 引言
•   5.2 二维近场微波成像
•     5.2.1 二维近场微波成像理论
•     5.2.2 二维近场微波成像仿真结果
•     5.2.3 二维散射体实际测试成像结果
•   5.3 远场微波成像
•     5.3.1 远场微波成像理论
•     5.3.2 基于压缩感知的远场微波成像
•   5.4 远场微波成像的目前进展
•   5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 马定妃

导师: 张青峰

关键词: 近场成像,压缩感知,频率扫描

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 物理学,无线电电子学

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: TN015;O441

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.003508

总页数: 69

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