Geri Dön

Quantitative holographic microwave imaging with a simulated calibration measurement

Simülasyon ile elde edilen kalibrasyon ölçümleri üzerinden nicel mikrodalga holografi yöntemi

PDF İndir

  1. Tez No: 924498
  2. Yazar: AHMET CANER GÜL
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ SEMİH DOĞU
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2025
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Telekomünikasyon Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 63

Özet

Uzaktan algılama ve görüntüleme teknikleri arasında son dönemde gelişim gösteren mikrodalga görüntüleme tekniği elde edilen görüntünün kalitesinin iyileştirilmesinde ve geleneksel görüntülemede kullanılan zararlı radyasyonun ortadan kaldırılmasını sağlayarak yenilikçi bir çözüm sunmaktadır. Bu sayede, özellikle tıbbi görüntüleme gibi detaylı ve çok sayıda görüntüleme ihtiyacı olan alanlarda kullanım potansiyeli oldukça yüksektir. Ayrıca geçmişten günümüze kullanımı yaygın olan X-ray tarayıcılarının çalışma tekniğine kıyasla daha ucuz bir tarama sonucu elde edilebilme imkanı da bulunabilmekte ve iyonize olmayan bir radyasyon çeşidi olduğundan X-ray taramanın sağlığa verdiği zararı ortadan kaldırmaktadır. Gerçek hayatta elektromanyetik görüntüleme güvenlikte, askeriyede, tıbbi görüntülemede, havacılık ölçme vb. akla gelebilecek uygulama alanlarında kullanım imkânı bulmaktadır. Uygulama alanlarına örnek olarak, optik dalga boylarında tespiti sağlanamayan ve infrared izi bulunmayan fakat mikrodalga boylarının geçebildiği yüzeyler arkasına gizlenmiş obje tespiti, gizlenmiş olan silah gibi objeler giysi arkasından görüntülenmesi gibi uygulamalar örnek verilebilir. Sağlık alanında ise tıbbi görüntülemede kanserli doku teşhisinde veya diğer vücut dokularının görüntülenmesidir. Ayrıca gıdaların analizinde, kalite kontrolünde ve üretim hattında yabancı cisimlerin tespitinde mikrodalga görüntüleme teknolojisinden faydalanılabilir. Mikrodalga görüntüleme sistemleri, görüntülenmek istenen cismin bulunduğu hedef bölgeden saçılan elektromanyetik dalgaları kullanarak ilgili hedefin elektriksel parametrelerini ve bu parametrelerin konumsal bilgisini ters saçılım problemi üzerinden elde ederek hedefin görüntüsünü çıkarmayı hedeflemektedir. Buradaki problem doğası gereği kötü konumlandırılmış lineer olmayan bir denklem olarak ortaya çıkmakta ve çözümü tek olmayarak birden fazla şekilde oluşturulabilmektedir. Bu tekil olmayan çözümler bizim problemimizin ana kaynağını oluşturmaktadır ve çözüm yetkinliğimizi kısıtlamaktadır. Yine bu kısıtlama sebebiyle elde edeceğimiz sonuçlar gerçek değerler veya sadece fark değerleri olarak ortaya çıkmaktadır. Ters problemden elde edilen bu değerlere göre sonuçlar, nicel (doğrudan elektriksel parametrelerin değerini tayin eden) veya nitel (elektriksel parametre bulmaksızın sadece saçıcının şeklini bulmaya odaklanan metotlar) olarak sınıflandırılabilmektedir. Kullanılacak yöntemler de sonucun nicel/kantitatif veya nitel/kalitatif olmasına göre çeşitli yaklaşımlar altında çözüm elde etmeyi amaçlamaktadır. Genel olarak, kantitatif yaklaşımla sonuç elde etmeyi amaçlayan yöntemler hızlı sonuç ile yalnızca kontrast değeri bulmayı hedeflerken; nitel yöntemler hızdan ödün vererek gerçek değeri elde etmeyi amaçlamaktadır. Nitel yöntemler daha çok iteratif yollarla gerçek sonuca yakınsamaya çalışırken, nicel yöntemler yukarıda bahsettiğimiz bu lineer olmayan denklemi doğruluktan taviz vererek önce lineerleştirip tek bir adımda çözümü hedeflemektedir. Bu yöntemlerden biri olan Holografik Görüntüleme metodu hızlı şekilde nitel veya nicel sonuç verebilen etkili bir yöntem olarak karşımıza çıkmakta. Holografi metodu diğer nitel yöntemlere kıyasla hedef nesnenin şekline daha az duyarlı olurken, elektriksel parametrelerine daha duyarlıdır. Bu sebeple daha doğru nicel sonuçlar veya doğrudan nitel sonuçlar elde etmek için hedef cisme yakın elektriksel özelliklere sahip bir referans cisim ile hassas kalibrasyon işlemine ihtiyaç duymaktadır. Bu tez kapsamında Nicel Holografik Mikrodalga görüntüleme tekniği dielektrik maddelerin görüntülenmesinde test edilmiş ve kullanılan kalibrasyon metodu simülasyon ortamı sayesinde hızlandırılmaya çalışılmıştır. Bu metot temelde, lineerleştirme ve holografi metotlarını birlikte kullanarak, kalibrasyon üzerinden elde edilen sistem yanıtı ve cisme ait saçılma parametrelerini üzerinden spektral düzlemde görüntü elde etmeyi amaçlamaktadır. Burada elde edilen görüntü kontrast fonksiyonun bir fonksiyonudur ve bu kontrast fonksiyonu lineerleştirilmiş sistem yanıtının konvolüsyonu ile saçılma verisini vermektedir. Bu konvolüsyon işlemi ters saçılım problemini denkleminden gelmekte olup spektral düzlemde lineer ters işlemle çözümü sayesinde hedef nesneye ait aranan kontrast fonksiyonunu vermektedir. Bu sistem yanıtı veya başka bir deyişle sistem fonksiyonu, nokta saçıcıya ait saçılma verisinin uzayın her bir kesite ait düzlemdeki her noktasında ölçümüne ve sistemin bu ölçüme göre düzenlenmesiyle veya kalibre edilmesiyle elde edilmektedir. Bu kalibrasyonda kullanılan nokta saçıcı daha önceden elektriksel parametreleri bilinen boyutları birim saçıcıya denk düşecek bir referans nesne üzerinden gerçekleştirilmektedir. Elde edilen nokta saçıcıya ait s-parametreleri üzerinden holografi metoduna göre arka plan saçılımı çıkarılmasıyla sisteme ait tepki yanıtı bulunmuş olunur. Buradaki holografi tekniği optik holografi tekniğinden farksızdır. Yöntemde kullanılan lineerleştirme işlemi ise Born veya Rytov adı verilen iki farklı tekniğin uygulanması ile gerçekleştirilmektedir. Born yaklaşımı adı verilen bu teknik nesne içerisindeki iç saçılımların ihmali yaklaşımını kullanırken, Rytov yaklaşımı nesnenin içinden geçen dalganın fazındaki değişiminin çok küçük değerlerde olduğu yaklaşımını kullanır. Her iki yaklaşımın da geçerli olabilmesi için objenin boyutlarına ve elektriksel özelliklerine ait çeşitli kısıtlamalar bulunmaktadır. Bu da nicel mikrodalga görüntülemenin bir kısıtlaması olarak görülebilecek şekilde kalibrasyon objesinin (Calibration Object-CO) boyutlarına ve kontrastına belirli sınırlamalar getirmektedir. Bu tez kapsamında önerilen metotta, gerçek ölçüm ortamında yapılan hem zaman alıcı hem de gürültü sebebiyle bozulmaya açık kalibrasyon işlemi simülasyon ortamına taşınarak daha ideal hale getirilmeye çalışılmıştır. Holografi tekniği sayesinde arka plan etkileri çıkarıldığından bu yöntemin simülasyon ortamında gerçekleştirilebilmesi için gerçek sistemin birebir modelinin dijital ortamda kopyası oluşturulması yeterlidir. Bu kalibrasyon ölçümleri simülasyon ortamında gerçekleştirilmesine rağmen, kullanılan tam dalga çözümlerinin yavaş olması sebebiyle, ölçüm süreleri bir hayli uzun olmaktadır. Bu sorunun çözülebilmesi için tezin ikinci kısmı olan vektör integral denklemlerinin kullanılması düşünülmüştür. Bu yöntemde kontrast fonksiyonu saçıcı denklemindeki integral çekirdeği, nesne uzayına ait tek bir simülasyonla elde edilebilen elektrik alan verisinden doğrudan elde edilen vektör Green fonksiyonu ile değiştirilmiştir. Vektör Green fonksiyonu doğrudan verici antene ait elektrik alan üzerinden elde edilebildiğinden simülasyon üzerinde uzayın her noktasında ölçüm zorunluluğu ortadan kaldırılmış ve işlemin süresi kısaltılmıştır. VIE algoritması ile elde edilen sonuçların gerçek ölçümle birebir olması için algoritma üzerinde modellenen iletim hattı tek bir gerçek ölçüm üzerinden kalibre edilmiştir. Sonuç olarak kullanılan algoritma sayesinde tek bir gerçek ölçüm verisiyle görüntüleme sistemi kalibrasyonu gerçekleştirilmiş ve holografik görüntüleme yöntemine ait kalibrasyon prosedürü hızlandırılmış ve iyileştirilmiştir.

Özet (Çeviri)

Microwave imaging is a new technology that has recently been introduced into use. This imaging technology can be applicable in various fields, including medical examination and tumor detection, material characterization, foreign object detection, security applications, and many other areas, owing to their effectiveness in the near field and their non-ionizing properties. Microwave imaging is fundamentally based on solving the inverse scattering problem and numerous techniques for solution have been proposed and studied in the literature. Due to the ill-posed nature of the problem, the non-unique solution is the main issue and restricts our ability to find the exact parameters of objects in the results. Therefore, these techniques can be divided into two main categories based on the results obtained: qualitative and quantitative. While qualitative results provide only the contrast value of an object due to limited system definitions and prioritization of faster results, quantitative methods yield the actual value of the object by sacrificing the calculation speed and generalization in imaging calculations. The Holographic Imaging technique is one of the promising methods that offers quantitative and faster results but in return, it requires precise calibration procedures customized to the environment. In this thesis, the recently proposed Quantitative Microwave Holography (QMH) method is applied in dielectric imaging and the technique has improved by means of its calibration time drawback. The general QMH algorithm is more generalizable to object shapes compared to other quantitative techniques but not the object's actual values, and it needs to calibration to both environment and possible dielectric parameters space to get attainable results. This technique gives 3D quantitative results by basically using system response or system function obtained from the calibration procedure and using spectral reconstruction technique with the aid of linearization and holography. It is possible by inverting the convolution of this system function and the contrast function in the spectral domain after applying linearization to the famous non-linear scattering equation. The transfer function of the system is obtained by finding the scattering response of the point scatterer (PS) in each slant range position and this process is applied in each range space for the regular QMH method. Once the system response is determined, the object under test (OUT) response is obtained and the object function is resolved using regularization methods, such as Tiknhonov regularization, from the linear system where these two scattering data are related in the spectral domain by a product. The linear system that is used in the resolving step, is obtained using linearization approximations such as Born and Rytov. The Born and Rytov approximations are general methods that assume there are no internal scatterings or there are constant phase characteristics in objects respectively. Due to these assumptions, the object being imaged or CO being used has to be of limited size or have limited contrast values where these two requirements are drawbacks of QMH algorithm. All the scattering data used in reconstruction is obtained by subtracting the background information according to the Holography technique to obtain the difference data as in optical holography and this is the reason why we called this imaging method holographic imaging. In our proposed method, this time-consuming calibration procedure in the real world is replaced by a simulation environment. With this approach calibration procedure will be accelerated and some drawbacks of real measurement-based calibration procedures such as clutter noise from the background or issues with non-stable device characteristics will be eliminated by the ideal simulation. To utilize the simulation approach in such a precise calibration procedure, there has to be an identical simulation environment. Owing to the holography technique, stationary background properties are eliminated by subtracting operation and there is only the remaining modeling antenna system itself in the ideal case. The second part of this thesis consists of modeling the antenna system and this modeling is done by using Volume Integral Equation (VIE). In this method, the field of the identically modeled receiver antenna is used instead of the system Green function. However, this obtained field from the simulation environment has to be equated with the value in the real measurement setup. Therefore one calibration data measured from real real-world setup is used for normalization. In this way, only one measurement for all calibration procedures will be required and calibration procedure time will be equal to the processing time of computer speed.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    836473

    Qualitative microwave imaging in non-destructive testing and evaluation applications

    Nitel mikrodalga görüntülemede tahribatsız muayene ve değerlendirme uygulamaları

    SEMİH DOĞU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET NURİ AKINCI

  2. Tez No

    631192

    Quantitative phase analysis in lensless digital inline holographic microscopy

    Merceksiz dijital sıralı holografik mikroskopta kantitatif faz analizi

    ALİ ASLAN DEMİR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Biyofizikİzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü

    Fotonik Bilimi ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN CUMHUR TEKİN

    PROF. DR. CANAN VARLIKLI

  3. Tez No

    765270

    Total internal reflection holographic microscopy for cell extension imaging

    Holografik tam iç yansıma mikroskobuyla hücre uzantılarının görüntülenmesi

    TOLGA GÜRCAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyofizikBoğaziçi Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET BURÇİN ÜNLÜ

    YRD. DOÇ. DR. MUHAMMED FATİH TOY

  4. Tez No

    394267

    Design and implementation of a digital holographic microscope with fast autofocusing

    Yüksek hızda otomatik odaklama yapabilen sayısal holografik mikroskop tasarımı ve gerçeklenmesi

    AYTEKİN HAZAR İLHAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve KontrolSabancı Üniversitesi

    Bilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MERİÇ ÖZCAN

  5. Tez No

    512681

    Transformation techniques from scalar wave fields to polarized optical fields for wide-viewing-angle holographic displays

    Geniş görüş açılı holografik ekranlar için sayıl dalga alanlarından kutuplanmış optik alanlara dönüşüm teknikleri

    ONUR KÜLÇE

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Bilim ve Teknolojiİhsan Doğramacı Bilkent Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT ONURAL

Geri Dön