Through-the-wall microwave imaging with sampling methods
Örnekleme yöntemleri ile duvar arkası mikrodalga görüntüleme
- Tez No: 465448
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET ÇAYÖREN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 96
Özet
Mikrodalga görüntüleme uygulamaları, güvenlik veya yasaların sınırlaması nedeniyle yada biyolojik dokular gibi fiziksel kısıtlamalardan ötürü erişim sağlanamayan cisimlerin görüntülenmesinde kullanılmak üzere geliştirilmiş bir teknolojidir ve bu gelişim hızlı bir şekilde tıbbı görüntüleme, duvar arkası görüntüleme, gömülü cisimlerin görüntülenmesi, saklanmış silahların görüntülenmesi ve tahribatsız muayene uygulamaları ile devam etmektedir. Özellikle tıbbı uygulamalar olmak üzere, mikrodalga görüntülemenin birçok uygulama alanı bulmasının temel sebebi mikrodalgaların vücuda nufüz ettiğinde iyonize edici olmamasıdır. Bu önemli sebebe ek olarak, mikrodalga görüntüleme sistemlerinin diğer görüntüleme yöntemlerine göre daha ucuz ve taşınabilir olması söylenebilir. İncelenen bölgedeki cisimlerin bilinmeyen bağıl dielektrik sabiti ve bağıl manyetik geçirgenlik gibi elektriksel özellikleri ile bu cisimlerin konum ve şekil bilgileri, cisimlerin bulunduğu bölgenin dışında bir yerde ölçülen saçılan elektrik alanın kullanılması ile geri elde edilebilmektedir. Mikrodalga görüntüleme aşamalarını temel olarak ikiye ayırabiliriz. İlk olarak saçılan elektrik alanın ölçülebilmesi için düz saçılma probleminin çözülmesine ihtiyaç vardır. Bu bağlamda, düz saçılma problemlerinde saçıcıların elektriksel özelliklerinin, şekillerinin ve konumlarının bilindiği kabul edilmektedir ve uygulanan elektrik alanın da bilinmesi ile düz problem ikinci tip Fredholm integralini çözmeyi gerektirir. Bu integralin çözümü analitik olarak bulunamadığı için ancak momentler metodu, sonlu elemanlar metodu veya sonlu farklar yöntemi gibi sayısal yöntemler kullanılarak elde edilebilir. Ters saçılma problemlerinde ise saçıcılar hakkında bir bilgimizin olmadığı kabul edilir ve bu parametrelerin, saçılan ve uygulanan elektrik alan değerleri kullanılarak elde edilmesi hedeflenir. Bu amaca ulaşmak için literatürde sayısız yöntemler önerilmiştir. Bu ters dönüşüm algoritmalarını nitel ve nicel yöntemler olmak üzere ikiye ayırabiliriz. Nitel yöntemler ile saçıcıların elektriksel özellikleri geri elde edilememekte fakat saçıcıların şekil ve konumları geri kazanılabilmektedir. Ayrıca bu yöntemlerin kullanılması için saçıcılar hakkında herhangi bir ön bilgiye ihtiyaç duyulmamaktadır. Bu yöntemlere örnek olarak doğrusal örnekleme yöntemi, faktörizasyon yöntemi, ortogonal doğrusal örnekleme yöntemi ve tekil kaynaklar yöntemi verilebilir. Bu gruptaki yöntemler nicel yöntemlere göre daha hızlı bir şekilde sonuç vermektedir. Bu sebeple, çabuk bir şekilde görüntüleme yapmayı hedefleyen uygulamalar için bu yöntemler iyi bir adaylardır. Bu tez içerinde nitel yöntemlerin en popülerleri olan doğrusal örnekleme ve faktörizasyon metotları incelenecektir. Elektromanyetik ters saçılma algoritmaları içerisinde bir diğer grup olan nicel görüntüleme yöntemleri, nitel yöntemlerin de kestirmeye çalıştığı şekil ve konum bilgilerine ek olarak saçıcıların bağıl dielektrik sabiti ve bağıl manyetik geçirgenlik gibi elektriksel özelliklerini de kestirmeye çalışır. Nicel yöntemlerin çalışma prensibi genel olarak şöyle açıklanabilir; ilk olarak obje fonksiyonu olarak adlandırılan ve saçıcıların elektriksel parametrelerini içeren bu fonksiyona bir başlangıç değeri atanır. Bu başlangıç değeri bazı yöntemlerde sıfır da kabul edilebilir, Born yaklaşıklığı ile bir değer atanabilir veya geriye yayılım yöntemi ile başlangıç değeri bulunabilir. Bu başlangıç değeri ile düz saçılma problemi tekrar çözülür ve bu yöntemler bir veya birden fazla değişkeni her adımda güncelleyerek gerçek değerlere ulaşmaya çalışır. Sıklıkla kullanılan nicel yöntemler ise Born iteratif metodu, distorted Born iteratif metodu ve kontrast kaynak metodudur. Bu yöntemler genellikle her adımda düz saçılma problemini çözdükleri için hesaplama yükleri daha fazladır ve nitel yöntemlere daha uzun sürede sonuç üretmektedirler. Bu tezde ele alınan duvar arkası görüntüleme konusu, askeri ve sivil birçok alanda kendine yer bulmaktadır. Mikrodalgalar kullanılarak duvarların arkasındaki saçıcılar tespit edilebilmekte veya binaların içindeki odaların mimari yapıları belirlenebilmektedir. Bu saçıcılar uygulamalara göre farklılık göstermekle birlikte kurtarma operasyonlarında insan ya da güvenlik uygulamalarında metal bir cisim olabilmektedir. Görüntüleme uygulamalarının karşılaştığı zorluklar duvarın özelliklerine göre değişmektedir. Örneğin duvarın iletkenliğinin artmasıyla uygulanan elektrik alan duvarın içinde daha çok sönümlenecektir. Böylece duvarın arkasındaki cisimlerden saçılma son derece düşük seviyelerde olacaktır. Bir diğer problem ise duvarın homojen olmaması hatta içerisinde birçok hava boşluğunun bulunması durumudur. Bu durumda elektromanyetik alan duvarın içinde birçok yansımaya mağruz kalacaktır. Duvar arkası görüntülemedeki bir diğer konu ise duvarın Green fonksiyonunun gerçek değere çok yakın bir şekilde tahmin edilmesi ihtiyacıdır. Bu tez içerisinde, çalışılan ortam homojen düzlemsel üç parçaya katmanlandırılmış olarak düşünülmektedir. Bu durumda, duvarın Green fonksiyonu analitik olarak hesaplanmış ve sonuçları ters saçılma yöntemlerinde kullanılmıştır. Düz saçılma probleminde ise moment yöntemi ile saçılan elektrik alan ölçülürken yine duvarın Green fonksiyonu kullanılmıştır. Bu bize, gözlemlenen ortamda duvar ve cisimler olmasına rağmen sadece cisimlerden kaynaklanan saçılan elektrik alanı vermektedir. Doğrusal örnekleme ve faktörizasyon ters saçılma algoritmalarının performanslarının incelenmesi aracılığıyla dört farklı kurgu oluşturulmuştur ve sayısal sonuçlardan bunların karşılaştırmaları açıkça görünebilmektedir. İlk olarak, bir adet silindir şeklinde metal cisim duvarın hemen arkasına yerleştirilmiştir daha sonra bu cismin boyutu büyütülerek duvardan daha uzak bir noktaya taşınmıştır. Üçüncü senaryoda ise bu sefer birbirlerinden farklı boyutlarda ve aralarında yeteri kadar bir mesafe bulunan iki metalik cisim duvarın arkasına yerleştirilmiştir. Son olarak ise metalik cisimlerden vazgeçilmiş, onların yerine silindir şeklinde bir dielektrik saçıcı tercih edilmiştir. Dielektrik maddelere elektromanyetik alan nüfuz edebildiği için bu tip maddelerde saçılan alan daha az olacaktır. Bunun sonucu olarak da dielektrik maddeleri görüntülemek ve bunların elektriksel özelliklerini geri elde etmek metalik cisimlere göre karmaşık olacaktır. Farklı yapısal özelliklerde ve boyutlardaki cisimleri incelemeye ek olarak duvarın iletkenliğinin de görüntüleme algoritmalarına etkisi yapılan benzetimler ile incelenmiştir. Şüphesiz ki duvarın iletkenliği saçıcılara ulaşan elektrik alanın genliğine çok büyük etkide bulunacaktır. Bunu gözlemlemek için farklı iletkenlikteki duvarlar ve aynı özelliklerdeki saçıcılardan oluşan bir kurgu yapılmıştır. Belli bir anten için saçılan alan sonuçları incelendiğinde, beklenildiği gibi sonuçlar olduğu ortaya çıkmıştır. Doğrusal örnekleme ve faktörizasyon yöntemleri uygulanırken duvarın Green fonksiyonunun bilindiği veya yaklaşık bir değer ile tahmin edilebildiği göz önüne alınarak iki farklı hesaplamada sonuçlar elde edilmiştir. Böylece duvarın Green fonksiyonunun ters saçılma yöntemlerine etkisi gözlemlenebilmiştir. Hatta bir adım daha ileri gidilerek, on yedi noktada ölçülen saçılan elektrik alanı kullanmak yerine sekiz noktada alınan örnekleri ile ters problemin çözülmesi amaçlanmıştır. Bunu yaparken sekiz tane anten dizisi ile ölçüm yapıldığı farz edilmiş ve bu anten dizisi her seferinde bir miktar kaydırılarak yeni noktalarda ölçümler yapılmıştır. Böylece bu anten dizisi ile toplamda on kere ölçüm yapılmıştır. Bu şekilde yapılan çalışmalar gerçek ölçüm düzeneklerinin üreteceği datalar ile benzerlik göstermektedir çünkü mikrodalga frekanslarında ölçümler çoğunlukla vektör network analizörleri ile yapılmaktadır. Vektör network analizörleri piyasada kolaylıkla temin edilebilmektir fakat bu cihazların model model değişmekle birlikte aynı anda kullanabilecekleri kapı sayısı belirlidir. Bu sebeple aynı anda çok fazla antenden gelen bilgileri işleyemezler. Ayrıca bu cihazlar ile saçılan elektrik alan yerine saçılma parametreleri ölçülebilmektedir. Halbuki mikrodalga görüntüleme yöntemleri çoğunlukla elektrik alan değerleri ile çalışmaktadır. Eğer bu yöntemler ile kesin sonuçlar elde edilmek isteniyorsa, saçılma parametreleri saçılan elektrik alan değerlerine dönüştürülmelidir. Bu amaç için çeşitli kalibrasyon yöntemleri literatürde mevcuttur. Tüm kurgular için saçılan elektrik alan üç boyutta momentler yöntemi ile geniş bir frekans aralığında hesaplanmıştır. Yüksek frekanslara çıkıldıkça ölçümler ciddi bir süre almaktadır bu yüzden düz saçılma problemini hızlandırmak için momentler yöntemine yardımcı algoritmalar çözümlere dahil edilmiştir. Saçıcılar momentler yöntemi için gerekli olan en küçük parçalara bölünmüştür bu sayede bu yöntemin kendisinden kaynaklanacak hataları en düşük seviyelere indirgenmiştir. Düz saçılma probleminin sonucunda üç yönde saçılan elektik alan elde edilmiştir. Bu saçılan elektrik alanlardan antenlerin ve cisimlerin yayılma doğrultusundaki bileşen hesaplamalarda kullanılmıştır. Ters saçılma algoritmaları için ise formülasyonlar iki boyutta gerçeklenmiştir.
Özet (Çeviri)
Microwave imaging is a promising technology and basically aims to retrieve electrical parameters such as permittivity and conductivity of the unapproachable objects with their shape and location. Microwave imaging systems extract information of materials by processing their scattered electric field data or scattering parameters. Due to non ionized characteristic of microwaves, they harmlessly penetrate to human body parts. This feature allows microwaves to find numerous applications in medical imaging. Alongside medical applications, microwave imaging applications also include through the wall imaging, subsurface imaging, non destructive testing and concealed weapon detection. The problem in microwave imaging separates into two groups direct and inverse problems. In electromagnetics, in direct problem the scattered field is calculated by knowing features of scatterers. Mostly the scattered field cannot be calculated analytically, numerical methods such as physical optics, modal techniques or integral equation methods must be performed for this purpose. On the other hand, in inverse problems, characteristics of scatterers are unknown and these parameters are reconstructed by set of measured scattered field outside the investigated domain. Countless inversion methods which are split into two parts, namely qualitative and quantitative methods, are developed for performing inversion. Qualitative methods include but not limited to linear sampling method, factorization method, orthogonality sampling method and singular sources method. The methods in that category aim to reconstruct shape and location of scatterers very fast with respect to other counterparts. Despite qualitative methods, quantitative methods retrieve electrical parameters of objects in investigated domain by minimizing the cost function. The most well known quantitative methods are Born iterative method, distorted Born iterative method and contrast source inversion method. The initial value of contrast must be find for these methods, Born approximation and back propagation are applied for this purpose. The thesis under study considers through the wall microwave imaging application. In the first part of the thesis, steps to solve direct problem are introduced. The derivation of Green's function of the wall is developed analytically for homogeneous planar layered media. The wall considered as infinitely long and rectangular solid at two axes. The well established method of moments is used to calculate scattered electric field at a straight line. The illumination is done by Hertzian electric dipoles in front of the wall and multi frequency case is considered. Secondly, two of qualitative inversion algorithms, namely linear sampling and factorization methods are presented with their explicit formulations. These methods are highly ill posed and regularization techniques must be implemented for finding approximate solution of real problem. Linear sampling and factorization methods are applied to different scenarios. Perfect electric conductor and dielectric scatterers are involved in simulation setups. The reconstruction process is performed by using proper Green's function. The comparison of linear sampling and factorization methods can be seen from numerical results and also their achievements in through the wall imaging can be clearly commented.
Benzer Tezler
- Qualitative microwave imaging in non-destructive testing and evaluation applications
Nitel mikrodalga görüntülemede tahribatsız muayene ve değerlendirme uygulamaları
SEMİH DOĞU
Doktora
İngilizce
2023
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI
- Mikrodalga görüntülemede seyreklik yaklaşımı yöntemlerinin uygulanması
Sparse approximation and applications in microwave imaging
EMRE YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZGÜR ÖZDEMİR
- Qualitative methods in microwave imaging
Mikrodalga ile görüntülemede nitel yöntemler
MEHMET NURİ AKINCI
Doktora
İngilizce
2016
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ÇAYÖREN
- Qualitative microwave imaging with factorization methodinside metallic cavity
Metalik boşlukta faktörizasyon yöntemiyle nitel mikrodalga görüntüleme
HADI ALIDOUSTAGHDAM
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MEHMET ÇAYÖREN
- Optimal design of sparse mimo arrays for wideband near-field imaging based on a statistical framework
Genişbantlı yakın alan görüntülemesi için seyrek çok-girdili çok-çıktılı dizilerin istatistiksel çerçeveye dayalı optimal dizaynı
MEHMET BURAK KOCAMIŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SEVİNÇ FİGEN ÖKTEM