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复杂多散射环境下TRM成像技术研究

郑文军  
【摘要】: 对复杂多散射环境中隐蔽目标的探测具有重要的理论意义和应用价值。其理论意义在于探索如何从复杂多散射强背景噪声中正确检测和识别待探测目标;其理论成果可以应用于非均匀组织中异物成像、隔墙目标探测和森林中的隐蔽目标定位等等。 时间反转成像技术(TRM:Time Reversal Mirror)源自对光学相位镜(PCM:Phase Conjugation Mirror)的推广,是波多径传输的物理学基本原理与阵列信号处理技术相结合的产物。它与通常的阵列信号处理的根本差别在于它充分利用了波传输的物理过程的信息,从而能获得远大于通常的阵列孔径所能达到的高分辨率,使原来导致目标隐蔽的多散射环境反而变得为检测所用,从而大大增强了系统对隐蔽目标的探测和定位能力。TRM技术最先出现在声学领域,并得到了广泛的验证和应用,目前该技术已经被引入电磁领域。 本文基于TRM理论技术基础,从复杂多散射背景环境出发,分别研究了TRM技术在微波致热超声成像( MITAT : Microwave-Induced Thermo-Acoustic Tomography)、超宽带穿墙雷达(UWB-TWR: Ultra-Wideband Through the Wall Radar)成像和多散射丛林环境隐蔽目标探测三个方面的应用,重点解决不同的随机多散射背景下TRM模型的建立、模型的稳定性分析、TRM的系统函数(主要是格林函数)的预置等问题,研究预置格林函数与实际场景的格林函数不匹配及噪声污染等因素对成像质量的影响。文章主要分为五个部分进行讨论: 1.介绍了三类复杂的应用背景,分别是微波致热超声成像乳腺癌检测、超宽带穿墙雷达成像和多散射丛林环境隐蔽目标探测,分析了这些背景下的传统成像算法及相应的不足,指出TRM技术在这些复杂环境下成像的独特优势。系统回顾了TRM技术的起源、实验研究成果和理论研究进展。TRM技术已经在近年被推广到电磁领域,其在电磁领域的研究目前还很有限。 2.系统全面的分析了TRM的理论基础、超分辨特性、统计稳定特性,利用仿真实验证明了TRM技术在非均匀但服从随机分布的媒质中的超分辨特性,引入入射场响应算子,系统地论证和分析了TRM在随机媒质中的成像和失配媒质下的成像问题; 3.研究了TRM技术在微波致热超声成像领域的应用。首先分析了TRM技术在MITAT中的基本原理和理论基础,利用二维时域伪谱(PSTD:Pseudo-Spectral Time Domain)技术与TRM技术相结合,通过仿真和系统实验成功地对MITAT系统中的分层生物组织进行了成像;定量分析了TRM技术在三维MITAT中的应用,通过与三维PSTD技术相结合,实现了对不同数目不同尺寸目标的成像,且成像质量优于后向投影算法;将仿真乳腺模型加入到PSTD-TRM三维成像系统平台,对于不同尺寸的目标,重点分析了随机非均匀生物组织环境对于成像质量的影响; 4.首次将电磁TRM技术引入到超宽带穿墙雷达成像中,分析了其理论基础,结合时域有限差分方法(FDTD:Finite Difference Time Domain),对分层结构墙体环境下的隐蔽目标进行了成像分析,论证其成像质量要优于传统雷达所用的后向投影算法;同时对于TRM技术在墙体电参数随机、雷达接收端信号被噪声污染及TRM正向和反演环境失配等一系列情况下的成像问题进行了全面的分析和深入讨论,研究了单目标和多目标成像问题,同时讨论了阵列的大小对于TRM成像质量的影响; 5.初步讨论TRM技术在随机多散射丛林环境下的理论和应用问题,利用仿真实验阐明丛林环境对于电磁波具有严重的多径效应。将TRM技术与射线追踪方法(Ray- tracing)相结合,建立了多散射环境的TRM技术仿真平台,并利用FDTD方法验证了这一模型的准确性,基于射线追踪方法的多散射模型,我们初步实现TRM技术对隐蔽的单目标和多目标的成像。 本文对TRM技术的理论基础和在复杂背景下成像问题进行了全面细致的研究,通过仿真和实验结果验证了TRM在复杂环境下的成像性能,讨论了相关因素对于成像的影响,为复杂环境下目标探测成像问题提供了参考。


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