Qualitative microwave imaging in non-destructive testing and evaluation applications
Nitel mikrodalga görüntülemede tahribatsız muayene ve değerlendirme uygulamaları
- Tez No: 836473
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 159
Özet
Mikrodalga görüntüleme, birkaç yüz MHz ile birkaç yüz GHz frekanslarında değişen elektromanyetik dalgaların yayılımının temel alındığı bir teknolojidir. Mikrodalga frekanslarında yayılan bu dalgalar, bulut, sis, toprak, tuğla, ahşap, beton, plastik ve kumaş gibi çeşitli maddelerin içerisine geçebilmektedir. Bu sebepten dolayı da, mikrodalga görüntüleme sistemleri, hasarsız test ve muayene ile uzaktan algılama temel olmak üzere birçok farklı uygulama alanlarında kendisine yer bulmuştur. Bu uygulama alanlarına örnek olarak, uçak, deniz ve hava radarları, toprak altı görüntüleme sistemleri, hareketli cisimlerin takibinin yapılması, saklı silah tespit sistemleri, ve duvar içi ve arkasının incelenmesi verilebilir. Ayrıca, belirtilen frekans aralığındaki elektromanyetik dalgaların canlı dokular üzerinde iyonize olmadığının anlaşılması ile birlikte, sağlık alanında da kanama ve kanserli doku tespitinin yapılması üzerine kullanılmaya başlanmıştır. Mikrodalga görüntülemede ters saçılma problemleri iki farklı yaklaşım ile ele alınmaktadır. Bunlardan ilki olan nicel görüntüleme yöntemleri, saçılma probleminin kendisini ele almaktadır ve incelenen bölgenin bağıl yalıtkanlık sabiti, bağıl manyetik geçirgenlik sabiti ve iletkenlik gibi elektriksel parametrelerini bulmayı hedeflemektedir. Bir diğer yaklaşım ise nitel görüntüleme yöntemleridir ve bu yöntemler incelenen bölgedeki cisimlerin şekillerini ve yerlerini bulmayı amaçlamaktadır. Nitel yöntemler, nicel yöntemlere göre daha az bilgiyi bulmak üzerine formüle edildikleri için görece hesaplama süresi ve hızı gibi faktörlere açısından daha başarılıdırlar. Bu sebeplerden ve genellikle doğrusal bir yapıda olduklarından dolayı bilgisayar ortamında gerçeklenebilirliği daha mümkündür. Nitel görüntüleme yöntemlerinin bir diğer özelliği ise yüksek düzeyde bir matematiksel arka plana sahip olmaları ve fiziksel durumlar tamamıyla dikkate alınmadan geliştirilmiş olmalarıdır. Bu da onların gerçek deneylerde kullanılmaları için detaylı olarak incelenmelerini ve uygulama bazlı olarak da eksik yönlerinin giderilmelerini gerektirmektedir. Bu tez içerisinde bu eksiklerin giderilmesi üzerine çalışmalar yapılmıştır. Nitel görüntüleme algoritmalarına örnek olarak, kesilmiş tekil değer ayrıştırma yöntemi (TSVD), doğrusal örnekleme yöntemi (LSM), faktörizasyon yöntemi (FM), tekil kaynaklar yöntemi (SSM) ve yakın-alan dikey örnekleme yöntemi (NOSM) verilebilir. Tezin ilk bölümünde bir empedans silindirinin elektriksel parametre ve boyutlarının mikrodalga frekansındaki ölçümlerden Newton Yöntemi elde edilmesi ele alınmıştır. Bu amaçla, dairesel ve sabit bir empedansa sahip bir cismin düzlem dalga ile aydınlatıldığında saçtığı elektromanyetik dalgaların türetilmesi verilmiştir. Bu adımda saçıcı cismin z ekseni yönünde sonsuz olduğu ve gelen düzlem dalganın elektrik alanının z eksenine paralel olduğu varsayılıp saçılma problemi iki boyutlu enine manyetik (2D-TMz) olarak kabul edilmiştir. Bu varsayımlar altında, gelen düzlem dalganın elektrik alanı Bessel fonksiyonlarının bir toplamı şeklinde yazılırken saçılan elektrik alan Helmholtz denkleminin gereği olarak Hankel fonksiyonlarının bir serisi şeklinde açılmıştır. Daha sonra, saçılan alandaki bilinmeyen katsayılar cismin yüzeyi üzerinde sınır koşulu uygulayarak belirlenmiştir. Bundan sonra, ters problem aşamasında ise saçıcı cismin empedansı ve yarıçapının belirlenmesi hedeflenmektedir. Bu amaçla cisimden saçılan elektrik alanlar bir noktada değişik frekanslarda ölçülüp kaydedilmiştir. Daha sonra Newton Yöntemini uygulamak için cismin yarıçapı ve empedansı belirli bir ilk değer ile başlatılmış ve bu ilk değerler ile bir saçılan alan hesaplanmıştır. Ölçülen alan ile saçılan alan arasındaki fark saçılan alanın türevlerinden oluşan bir matrise bölünerek elektriksel parametreler ve yarıçaptaki değişim miktarı elde edilmiştir. Bu değişim miktarları ilgili değerlere eklenip yeni kestirim değeri elektriksel parametreler ve yarıçapları için elde edilmiştir. Bu süreç ölçülen elektrik alan ile hesap edilen alan arasındaki fark belirli eşik değerden düşük olana kadar devam etmiş ve bu şekilde tüm parametreler için bir kestirim elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar göstermektedir ki bu yöntem ile empedans silindirinin parametreleri kısıtlı açıklıklı – geniş frekanslı ölçümler ile elde edilebilmektedir Tezin ikinci bölümünde, TSVD yöntemi, elektromanyetik saçılma problemleri için, kontrast kaynak bazlı TSVD, kontrast bazlı TSVD ve çoklu frekans kontrast bazlı TSVD olmak üzere üç farklı yaklaşımla formülize edilmiştir. Geliştirilen bu yöntemler, yansımasız bir ortamda olmayan duvar arkası mikrodalga görüntüleme uygulamasında, yapılan ölçümlerin farkları kullanılarak ele alınmıştır. TSVD, literatürde daha önce incelenmiş ve iyi bir şekilde bilinen bir yöntemdir. Daha önce tek verici/alıcı anten sistemlerinde incelenen TSVD yönteminin, bu çalışmada, hareketli bir verici/alıcı anten dizisinde nasıl kullanılabileceği ortaya koyulmuştur. Özellikle, böyle bir yapıda ortaya çıkan, hareket boyunca pozisyon bakımında ortak olan ölçümlerin adaptasyonu için bir ortalama alma şeması sunulmuştur. İncelenen üç farklı TSVD yöntemi içerisinde, kontrast kaynak bazlı TSVD yönteminin tersini hesapladığı matrisin boyutu diğer yöntemlere daha küçüktür. Bu da hızlı bir şekilde sonuç verme imkanı sunmaktadır, fakat, sonuçlardaki gürültü miktarı daha fazla olmaktadır. Bu gürültülerinin etkilerini azaltmak için bir normalizasyon planı tavsiye edilmiştir. Kontrast bazlı TSVD yönteminde ise ölçüm datasının tersi, tüm verici antenler için aynı anda hesaplanacak şekilde formüle edilmiştir. Bu sebepten dolayı kontrast bazlı TSVD, kontrast kaynak bazlı TSVD yöntemine göre daha iyi sonuçlar vermektedir, fakat, tersi alınan matrisin boyutu büyüdüğü için daha fazla zamana ihtiyaç duymaktadır. Son olarak ise çoklu frekans kontrast bazlı TSVD yönteminde, kontrast, tüm vericiler ve frekans adımları için aynı anda hesaplanmıştır. Farklı frekanslardaki güç dengesizliğini gidermek için ise kontrast bazlı TSVD yönteminin sonucunu kullanılarak geliştirilen kalibrasyon yaklaşımı adapte edilmiştir. Sonuç olarak, bu yöntemdeki tersi alına matrisin boyutu en büyüktür, doğruluğu diğer yaklaşımlara göre daha fazladır ve hesaplama zamanı ise en uzundur. Bu üç yöntemin çalışabilirliği, duvar arkasına yerleştirilen metal bir silindirin tespitinin yapılması kullanılarak incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar, doğruluk ve hesaplama zamanı karşılaştırması bakımından hangi yöntemin tercih edilebileceği hakkında bilgi vermektedir. Ayrıca, her yöntemde kullanılan norm alma işleminin değerinin değiştirilmesinin sonuçlar üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Tezin üçüncü bölümünde ise, hareketli cisimlerin nitel mikrodalga görüntüleme yöntemleri ile tespit edilebilmesi üzerinde çalışmalar yapılmıştır. Bu yöntemlerin başarı olasılığı, gerçekçi bir arka-plan ölçümünün varlığına bağlıdır. Gerçek arka-plan ölçümlerinin elde edilebilmesi ise birçok deneysel çalışma için mümkün değildir ve literatürde, genellikle gerçekçi olmayan bir arka-plan ölçümü kullanılmaktadır. Burada, nitel görüntüleme yöntemlerinin düzgün bir şekilde çalışması için en önemli ihtiyacı olan arka-plan ölçümleri için, gerçekçi olmayan arka-plan ölçümün yerine bir arka-plan bastırım algoritması önerilmiştir. Bu algoritmada, toplam elektrik alan farklı zaman anlarında ölçülmüştür (örnek olarak Etotn, Etotl toplam elektrik alanları nth ve lth zaman anlarında ölçülmüş olsun) ve bu alanların farkları nitel görüntüleme algoritmalarına sokulmuştur. Bu girilen data tipi için, elde edilecek sonuçlar ise, iki farklı zamandaki sonuçların toplamı şeklinde olmaktadır (örnek olarak, Etotn-Etotl giriş datası için Inl=In+Il sonucu elde edilmektedir, burada, In ve Il, nth ve lth zaman anlarındaki sonuçlardır.). Açıklanan bu prosedür ile, herhangi bir arka-plan ölçümü kullanılmadan, tüm zaman anlarındaki dataların ikili kombinasyonları kullanılarak, her bir zaman anındaki sonuç elde edilebilmektedir. Bu önerilen algoritmanın doğruluğu, güvenilirliği ve literatürde önceden geliştirilen benzerlerine üstünlüğü hem bilgisayar örnekleri hem de deneysel veriler ile LSM yöntemi kullanılarak ispatlanmıştır. Tezin dördüncü bölümünde ise, mikrodalga hipertermi uygulaması için nitel bir görüntüleme yöntemi olan SSM önerilmiştir. Daha önce uzak-alan yaklaşımları baz alınarak incelenen SSM, bu çalışmada ise yakın-alan homojen olmayan arka-plan uygulamaları için geliştirilmiştir. Her biri bir integral denklem içeren bu geliştirme adımları, doğrusallık ve karşılıklılık prensipleri kullanılarak açıklanmıştır. Çoğu nitel görüntüleme yönteminin ortaya koyamadığı saçıcıların elektriksel özellikleri ile bu yöntemlerin sonucunun arasındaki ilişki, SSM için açıklanmıştır. Böylece, bu yöntemin fiziksel karşılığı daha iyi anlaşılabilmektedir. Yöntemi deneysel olarak test amacıyla gerçekçi bir meme modeli oluşturulmuştur ve modellenen bu sıcaklık değişimleri başarıyla tespit edilebilmiştir. Tezin beşinci ve son kısmında ise, yakın-alan mikrodalga görüntüleme uygulamalarında monostatik ve bistatik durumlar için bir menzil yönünde dönüştürme algoritması önerilmiştir. Kalibrasyon ölçümleri, nicel ve nitel mikrodalga görüntüleme algoritmalarının performansına büyük önemde etki etmektedir. Örnek olarak, bir üç boyutlu (3-D) yakın-alan mikrodalga görüntüleme uygulamasında, kalibrasyon ölçümleri her bir menzil pozisyonunda elde edilmelidir. Bu ölçümlerin sayısı bazı uygulamalarda çok yüksektir ve hepsini tamamlamak çok zaman alabilmektedir. Eğer, saçılma denklemini oluşturan integralin çözücü çekirdeğinin (resolvent kernel) menzil davranışı analitik olarak bulunabilirse, 3-D bir uygulama için kalibrasyon ölçümleri bir referans menzil noktasında yapılan tek bir ölçümden elde edilebilecektir. Menzil dönüştürme yöntemleri uzak-alan mikrodalga ve akustik görüntüleme uygulamalarında analitik olarak kullanılmaktadır, fakat, bu analitik ifadeler yakın-alan uygulamalarında başarılı bir şekilde çalışmamaktadır. Bu çalışmada ise, yakın-alan mikrodalga görüntüleme uygulamaları için bir menzil dönüştürme yöntemi sunulmuştur ve bu yöntem hem monostatik hem de bistatik kurgular için kullanılabilmektedir. Tek bir nokta dağılım fonksiyonu (PSF) ölçümünden, her bir menzil noktasında olması gereken PSF'in hem büyüklüğü ve fazı tahmin edilmiştir. Sunulan yöntem zaman uzayında geliştirilmiştir, fakat, zaman uzayında çalışan görüntüleme yöntemlerine uygulanabildiği gibi Fourier uzayı (ya da k-uzayı) yöntemlerine de uygulanabilmektedir. Burada ise, bilgisayar örnekleri ve deneysel ölçümler ile nicel mikrodalga holografi yöntemi kullanılarak test edilmiştir. Ayrıca, yöntemin kullanılabilir sınırları hakkında da çalışma yapılmıştır.
Özet (Çeviri)
Microwave imaging is an inspiring research topic in which the goal is to obtain constitutive properties of inaccessible targets using measurements of the scattered electric field or scattering parameters. The phrase microwave refers to the frequencies of the electromagnetic fields used in this technology, which can range from several hundred MHz to several hundred GHz. The wavelength of the fields allowed us to analyze the materials without causing any damage within this frequency bandwidth. Because of this characteristic, this research area has discovered various non-destructive testing and evaluation applications in applied sciences, such as biomedical imaging, moving target detection, food imaging, subsurface imaging, concealed weapon detection, and through-the-wall imaging. Instead of reconstructing the electrical parameters, one technique for dealing with microwave inverse scattering problems is to compute an indicator function that holds the information of the targets. These techniques are known as qualitative microwave imaging methods (Q-MWM), and they are typically thought to be linear and non-iterative techniques that are computationally less expensive than their quantitative counterparts. The most extensively researched Q-MWM representatives are truncated singular value decomposition (TSVD), linear sampling method (LSM), and factorization method (FM). The singular sources method (SSM) and the nearfield orthogonality sampling method (NOSM) are comparatively new, yet they have a promising future in microwave imaging. In the first part of the thesis, the problem of microwave imaging of an impedance cylinder is investigated using Newton's approach. To achieve this goal, the scattered field from a circular cylinder with homogenous impedance is determined for plane wave illumination. At this stage, the scattering configuration is considered to be in the form of a TMz scenario. In this scenario, the impedance cylinder is supposed to be infinite along the z-axis, and the electric fields are assumed to be parallel to the same axis. The incident plane wave is assumed to be decomposed into a summation of Bessel functions, whereas the scattered field is assumed to be expressed as a sum of Hankel functions, according to these assumptions. After that, the boundary conditions on the surface of the impedance cylinder are utilized in order to acquire the unknown coefficients in the scattered field. After then, during the inverse scattering phase, it is necessary to make estimates concerning the target's impedance as well as its radius. To achieve this aim, the scattered field of the impedance cylinder is collected at a number of frequencies on a single point surrounding the target. Following this, an initial value is given to both of the variables, and the evaluation of the scattered field that corresponds to these initial values occurs. To arrive at an estimate of the updated amount for each parameter, the difference in the scattered fields is first divided into a matrix. This matrix then contains the derivative of the scattered field with respect to the unknown variables. Then, both of the parameters are updated, and this procedure is repeated as many times as necessary until the difference between the measured and estimated fields falls below a certain threshold that has been established. As a result, we are able to derive an estimate of the impedance as well as the radius of the cylinder. According to the findings, the method that is now suggested is capable of reconstructing the unknown parameters using only a limited aperture and several frequency observations. In the second part of the thesis, we examined differential through-the-wall microwave imaging with several formulations of the TSVD method in a non-anechoic experiment. Past studies have used TSVD with a single transmitting/measuring antenna, whereas we show how to use it with a moving linear transmitting/measuring antenna array. Particularly, for repeated measurements, an averaging procedure is adopted. Three TSVD approaches are tested: TSVD on Contrast Source, TSVD on Contrast and multi frequency TSVD on Contrast. The dimension of the inverted matrix in TSVD on Contrast Source method is comparatively small. Following the solution of equations, a normalization scheme is suggested to eliminate the noise. TSVD on Contrast technique produces better reconstructions than TSVD on Contrast Source method because measured data for all excitations are inverted simultaneously. TSVD on Contrast, however, takes a long time than TSVD on Contrast Source because the inverted matrix becomes larger. Finally, in order to avoid further calibration simulations/measurements in multi frequency TSVD on Contrast, we use TSVD on Contrast solutions to obtain the calibration information. The contrasts are then computed for all frequencies and excitations at the same time. Thus, for multi frequency TSVD on Contrast, the inverted matrix is the largest, the accuracy is the best, and also the computational burden is the greatest. A metallic scatterer is placed behind a wall to evaluate the proposed techniques. The results demonstrate a trade-off between accuracy and computational time when selecting an appropriate inversion approach. Furthermore, each method's norm type selection is evaluated. In the third part of the thesis, the imaging of moving objects with Q-MWM is addressed. The necessity of background measurement is a troublesome aspect of Q-MWM. To avoid this, the total electric field collected at distinct time instants (say, Etotn, Etotl are the total electric fields measured at nth and lth time instants) are implemented to Q-MWM. Thus, the outcome of the Q-MWM can be considered to be the sum of the indicators at these time instants (i.e. Etotn-Etotl produces the differential indicator Inl=In+Il, where In, Il are the indicators at nth and lth time instants). An equation system is developed for indicator values at different time instants using this information for all possible time couples. Without performing any background measurements, the indicator of Q-MWM for each time frame is derived by solving this equation system. The proposed algorithm's performance is validated using 3D and 2D (both transverse magnetic (TM) and transverse electric (TE)) experimental measurements, which are done in a non-anechoic environment, for the LSM, which is an example of Q-MWM. In the fourth part of the thesis, SSM, a qualitative imaging method, is investigated for two-dimensional transverse magnetic electromagnetic (2D-TM EM) inverse scattering cases. Qualitative microwave imaging approaches allow for the rapid and accurate reconstruction of target shapes from scattered electric field measurements. This section's contribution can be stated as follows: (i) The SSM was originally introduced for the far-field scenario; here, we extend the SSM in the near field - inhomogeneous background configuration. Each stage of the extension (which involves an integral equation) is discussed using the linearity and reciprocity principles to provide physical insights. (ii) A relationship is established between the electrical properties of the scatterers and the SSM indicator. (iii) The suggested method is examined for monitoring hyperthermia treatment problems with a realistic breast model to evaluate the performance of SSM in real-world scenarios. The obtained results demonstrate that the SSM is capable of handling realistic breast phantoms for monitoring hyperthermia problems. In the fifth and last part of the thesis, a range-migration technique is presented for near-field microwave imaging using monostatic and bistatic measurement configurations. Calibration measurements are critical for enhancing the precision of both qualitative and quantitative microwave imaging. A calibration measurement should ideally be taken at each desired range (or depth) position in three-dimensional (3-D) near-field imaging, which can be time-consuming. The calibration effort can be reduced to a single measurement at a reference range position if the range behavior of the resolvent kernel of scattering can be predicted analytically. Analytical formulations for range-translation (or range-migration) are already commonly utilized in far-zone radar and acoustic imaging; nevertheless, their accuracy suffers dramatically in near-field situations. The magnitude and phase of the system point-spread function (PSF) are accurately estimated at any desired range position based on a single measurement of the PSF. The proposed migration is conducted in real space, but it can also be implemented with Fourier-domain (or k-space) inversion methods. It is used in simulation-based and experimental examples to confirm its performance and demonstrate its limitations with quantitative microwave holography.
Benzer Tezler
- Lineer örnekleme yöntemi ile uzaktaki cisimlerin şekillerin,n tespiti
Reconsructing the shapes of the objects based on linear sampling method
GÜLÇİN YARIMAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİletişim Sistemleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN
- Through-the-wall microwave imaging with sampling methods
Örnekleme yöntemleri ile duvar arkası mikrodalga görüntüleme
SEMİH DOĞU
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
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
- 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
- Range test method in microwave imaging
Mikrodalga görüntüleme için menzil testi yöntemi
SELÇUK ÖZGÜR
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM AKDUMAN