微波无损检测中的逆散射成像算法研究

微波无损检测中的逆散射成像算法研究

论文摘要

微波成像算法在微波无损检测中起着至关重要的作用,也是微波无损检测中的关键部分。本课题的主要工作就是对微波成像算法进行研究,实现对自由空间中混凝土介质柱的成像。电磁散射是微波成像算法的基础,也是电磁理论研究的重要内容之一。通过了解电磁散射的求解方式,对应用比较广泛的电磁场几种数值计算方法及其优缺点进行了深入的学习和探讨之后,课题选择了有限元数值计算方法。详细说明了有限元软件ANSYS实现三维高频电磁场仿真的具体步骤。针对本课题,利用ANSYS建立高频电磁场有限元仿真模型,在建模过程中应用完全匹配层(PML)来截短无限开放的有限元分析域,通过加载平行板波导来激励TEM波,工作频率为3.0GHz,最后进行仿真求解。将仿真实验得到的结果数据作为后续成像中电磁正散射部分的计算数据。微波成像也叫做电磁逆散射,是从散射体外部测量得到的散射场来重建散射目标的结构图,从而可以不必接触和破坏散射体本身就可以得到人们感兴趣的有关信息,极富实用价值。本文通过学习和研究目前应用比较广泛、有代表性的几种成像算法及其优缺点和适用范围。最后,采用了一种正散射部分基于有限元数值计算方法,逆散射部分结合了体等效原理和变分原理的迭代算法。根据在ANSYS中的建模和剖分情况,把成像区域离散成了有限个小网格后,就可以把待求的目标函数看成是矩阵,矩阵中的每个元素是与小网格的节点一一对应的。这样,就可以在算法中应用矩阵运算,算法是通过MATLAB编程实现的。通过仿真实验,验证了本算法对混凝土介质柱成像的有效性。并在相同的仿真条件下,利用谱域ω—k成像算法对相同的模型进行成像。将两种算法进行了比较,验证了文中算法的优越性。

论文目录

  • 摘要
  • Abstract
  • 目录
  • 第一章 绪论
  • 1.1 微波概述
  • 1.2 微波无损检测简介
  • 1.3 微波无损检测发展现状
  • 1.4 本文的内容安排
  • 1.5 小结
  • 第二章 微波成像中的相关知识
  • 2.1 电磁场相关理论
  • 2.1.1 平面电磁波及其特点
  • 2.1.2 边界条件
  • 2.1.3 亥姆霍兹方程
  • 2.1.4 体等效原理
  • 2.2 辅助数学工具
  • 2.2.1 格林函数(Green)及格林函数法
  • 2.2.2 弗列谢(Fréchlet)微分与导数
  • 2.2.3 汉克耳(Hankel)函数
  • 2.2.4 变分原理
  • 2.3 小结
  • 第三章 利用ANSYS实现电磁散射计算
  • 3.1 部分数值计算方法简单介绍
  • 3.2 有限元方法的基本步骤
  • 3.3 有限元仿真软件ANSYS
  • 3.3.1 创建物理环境、建模、赋予材料特性及剖分网格
  • 3.3.2 加载与求解
  • 3.3.3 查看结果
  • 3.4 课题中利用ANSYS进行的实际仿真过程
  • 3.5 小结
  • 第四章 逆散射成像算法及实现
  • 4.1 谱域重建算法
  • 4.1.1 ω—k算法
  • 4.1.2 Newton-Kantorovitch算法
  • 4.2 空间域重建算法
  • 4.2.1.局部形状函数法
  • 4.2.2 玻恩近似迭代法
  • 4.2.3 遗传算法
  • 4.3 课题中采用的算法
  • 4.4 小结
  • 第五章 逆散射成像的仿真研究
  • 5.1 部分仿真实验结果
  • 5.1.1 单根介质柱仿真成像结果
  • 5.1.2 双根介质柱仿真成像结果
  • 5.2 与ω-k成像算法的比较
  • 5.3 总体评价
  • 5.4 小结
  • 第六章 结论
  • 参考文献
  • 附录A 迭代算法仿真数据(1)
  • 附录B 迭代算法仿真数据(2)
  • 附录C ω-k算法数据
  • 在学研究成果
  • 致谢
  • 相关论文文献

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