微波阵列天线成像处理中干扰抑制及快速成像方法的研究

摘要

微波阵列天线成像技术在国防安全、工业生产、医学成像等诸多领域都有着广泛而重要的应用。其在不同的应用领域既有一些共同的技术特点，也存在一些各自领域独特的技术问题。本论文针对微波阵列天线在穿墙成像和医学断层成像应用中的干扰抑制等问题进行了研究，主要的工作及创新点如下：
　　 1．针对线性阵列天线BP算法成像结果中存在虚假目标图像的问题，提出使用成像概率函数滤波的抑制方法。利用成像计算中目标单元信号是同相叠加，而非目标单元信号是异相叠加的特点，以此来定义成像概率函数，通过选用适当的滤波门限可有效消除虚假目标图像。应用中，由于部分像素单元的成像概率函数计算存在误差，导致使用成像概率函数滤波后，仍然会残留部分虚假目标图像。针对这一问题，提出利用图像位置信息反向求解滤波的方法，可进一步抑制残留的虚假目标图像。仿真成像处理的结果表明，所提出的抑制方法效果显著，实现方便，不受墙体参数误差的影响，可有效提高线性阵列天线穿墙成像的质量。
　　 2．针对射频干扰对微波医学成像系统的影响，利用系统激励源与干扰源的非相关性，提出对系统激励信号初始相位按照均匀分布在[-π，π]的随机相位序列编码的方法，将射频干扰转变为零均值的随机序列，进而再使用均值滤波的方法进行抑制。以乳腺肿瘤二维微波断层成像系统的应用为例，给出了随机相位编码方法的实现过程，通过仿真成像实验验证了该方法的有效性。
　　 3．针对环形阵列天线信号测量中，传统的直接测量模式数据存在动态范围广、参数灵敏度差异大和信噪比特性较差等不足，提出了测量天线对信号差值的测量模式。以16天线的乳腺肿瘤环形阵列成像系统为例，通过数值分析和成像实验的方法，对差值测量模式的数据特性进行了对比研究。结果表明，差值测量模式能有效改善直接测量模式的不足，具备更优越的测量数据特性。
　　 4．分析了基于非线性迭代方法的微波断层成像计算中，矩阵方程的阶数与有限元网格密度的内在关系。分析表明，随着计算网格密度的提高，求解方程的计算复杂度和计算时间，都呈指数级数增长。为便于微波断层成像技术的普及应用，针对乳腺肿瘤二维微波断层成像在个人计算机上的实现，提出了一种二次成像的快速方法。其基本原理是对感兴趣的图像区域采用高密度网格计算以保证成像精度，对于不太感兴趣的图像区域采用较低密度网格计算以减少计算单元数量，提高成像效率。介绍了二次成像快速方法的实现过程。经理论分析和成像实验的结果表明，在乳腺肿瘤二维微波断层成像应用系统中，所提出的二次成像方法可以对常见的乳腺肿瘤目标进行成像检测，与传统的使用全局精细网一次成像方式相比，这种二次成像方法可以节省成像时间80％左右，同时可以获得相近似的目标成像质量。
　　 5．针对手指关节的微波断层成像检测应用，提出利用X射线成像结果来获取微波断层成像的先验信息，通过优化迭代计算的初值分布，来改善迭代成像的效果。基于所设计的手指关节简化模型进行了仿真成像实验。仿真成像结果表明，利用X射线图像获得的手指关节结构先验信息来成像，可以对手指关节模型中2mm宽的关节区域进行成像检测，模拟的病态关节参数变化特征可以在成像结果中检测出来。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.2.1 超宽带穿墙雷达系统

1.2.2 微波医学成像系统

1.3 论文的主要工作

1.4 论文的组织结构

第二章 微波阵列天线穿墙成像虚假目标图像抑制的研究

2.1 微波阵列天线穿墙成像基本原理

2.1.1 自由空间中的阵列天线目标定位

2.1.2 穿越墙体的阵列天线目标定位

2.1.3 电磁波的穿墙特性

2.1.4 BP成像算法

2.2 成像概率函数抑制虚假目标图像的研究

2.2.1 引言

2.2.2 虚假目标图像的产生

2.2.3 成像概率函数滤波抑制虚假目标图像

2.2.4 仿真成像结果及分析

2.3 利用图像位置信息反向求解抑制虚假目标图像的研究

2.3.1 算法原理

2.3.2 仿真结果及分析

2.4 本章小结

第三章 微波断层成像射频干扰抑制的研究

3.1 微波断层成像基本原理

3.1.1 有限元方法

3.1.2 三角形单元及形函数

3.1.3 三角分解法

3.1.4 数据采集系统

3.1.5 迭代成像算法

3.2 射频干扰对成像系统的影响

3.3 随机相位编码抑制同频率干扰的研究

3.3.1 随机相位编码原理

3.3.2 仿真实验及分析

3.4 随机相位编码抑制不同频率干扰的分析

3.5 本章小结

第四章 环形阵列天线差值测量模式抗干扰性能的研究

4.1 直接测量模式的分析

4.2 差值测量模式的分析

4.2.1 差值测量数据

4.2.2 参数灵敏度分析

4.3 成像实验及分析

4.3.1 仿真成像

4.3.2 实验成像

4.4 本章小结

第五章 微波断层成像快速方法的研究

5.1 二次成像快速方法原理

5.2 仿真成像及分析

5.3 实验成像及分析

5.4 成像时间分析

5.5 本章小结

第六章 基于先验信息的微波断层成像研究

6.1 手指关节成像特性的分析

6.2 仿真成像及分析

6.3 本章小结

第七章 全文总结与展望

7.1 全文总结

7.2 下一步研究展望

致谢

参考文献

作者攻博期间取得的成果