微波成像逆散射问题数值分析和计算

摘要

与其他成像技术相比，微波成像具有一系列突出的优点。如与X射线成像技术比较，由于具有识别人体组织电磁特性参数微小变化的能力，微波成像技术能够发现早期癌变或软组织损伤，进而提高恶性肿瘤的诊断率和治愈率、延长病人的生命；而与磁共振成像技术相比，微波成像技术的优点是整个成像系统的造价非常低。此外，微波成像系统所产生的电磁辐射与日常生活中广泛使用的手机的电磁辐射相当，不会对人体的组织、器官造成损害。因此，微波成像系统目前已经受到各国学者和工程界的普遍关注和重视，被认为是理想的数字化医疗诊断设备之一。因而，微波成像不仅具有重要的理论研究价值，也具有广阔的工程应用前景。本文研究了微波成像逆散射问题的数值计算方法和技术。利用最小二乘法将电磁逆散射问题转化为非线性数学规化问题；在正问题的分析计算方面，提出了散射场计算的二阶玻恩近似法和基于三维仿真软件HFSS的三维有限元方法：在逆问题的求解算法研究中，提出了一种改进的禁忌搜索算法。在此基础上通过禁忌算法与脚本语言的混合编程开发了三维微波成像数值分析软件。本文将电磁散射逆问题抽象成基于最小二乘的非线性全局最优化问题。在正问题的处理上，本文创造性的利用MATLAB语言和三维仿真软件HFSS的脚本编程进行三维建模，充分利用两者在不同领域的计算优势，从而获得更加精确的外围散射场；在逆问题的解决过程中，本文首先从多个方面改进了传统禁忌算法，提出了一种改进的禁忌算法。并且在此基础上实现了禁忌算法与脚本语言的混合编程。仿真实验证明，本文方法在解决二维以及较复杂三维非线性成像问题时，在收敛速度以及求解精度都具有突出的优势，具有较好的实际应用价值。本研究分为五个部分：
　　 第一章主要介绍了本课题的背景及意义，简单概述了微波成像技术研究的现状以及本文所要进行的相关研究。
　　 第二章重点介绍了微波成像中的电磁逆散射问题的分析、计算方法以及散射场的数学模型，在此基础上参照二阶玻恩近似技术对散射场进行简化处理并且提出问题的数学模型。
　　 第三章重点介绍禁忌算法的一般原理，在此基础上做出了一系列的改进，然后基于改进的禁忌搜索算法和2BA近似模型，提出了一种微波成像电磁场逆问题的计算方法，最后通过实例计算展示了说明了该方法的求解效果。
　　 第四章首先简要介绍了HFSS软件进行散射场计算的原理，然后重点研究了微波成像逆散射分析中散射场计算的具体实施过程，最后介绍了HFSS的脚本语言及其相关应用。
　　 第五章主要给出了本文计算方法在三维单散射体仿真模型以及多个强散射体仿真模型的数值仿真结果，包括在同样模型中与其他算法的结果比较。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 逆散射成像技术的现状

1.2.2 微波成像技术的发展趋势

1.3 本文的主要研究内容

第2章 微波成像中的电磁逆散射问题

2.1 引言

2.2 逆散射正问题的分析、计算方法

2.2.1 加权残数法

2.2.2 有限元方法

2.2.3 三维时谐场的有限元方法

2.3 散射场的数学模型

2.4 散射场的简化处理与逆散射问题的数学模型

本章小结

第3章 禁忌算法及其在微波成像问题中的应用

3.1 引言

3.2 禁忌搜索算法的基本原理

3.2.1 禁忌搜索的基本迭代过程

3.2.2 禁忌搜索的关键要素

3.2.3 禁忌搜索的基本步骤

3.3 改进的禁忌搜索算法

3.4 改进禁忌搜索算法的验证

3.5 改进的禁忌搜索算法在二阶玻恩近似中的应用

3.5.1 基于禁忌算法的Born二阶近似模型

3.5.2 基于禁忌搜索算法和2BA近似的逆散射问题的分析和计算

本章小结

第4章 ANSOFT HFSS在微波成像正问题中的应用

4.1 引言

4.2 ANSOFT HFSS散射场的计算方法和原理[50]

4.2.1 散射问题的计算方法

4.2.2 边界条件

4.2.3 电磁波激励

4.2.4 HFSS项目的求解设置

4.2.5 HFSS的脚本语言

本章小结

第5章 基于HFSS和改进禁忌搜索算法的微波成像的分析和计算

5.1 引言

5.2 单一散射体工况

5.3 多散射体工况

全文总结与展望

参考文献

致谢

文章发表录用情况