微波成像逆散射問題數(shù)值分析和計算.pdf

1、與其他成像技術(shù)相比，微波成像具有一系列突出的優(yōu)點。如與X射線成像技術(shù)比較，由于具有識別人體組織電磁特性參數(shù)微小變化的能力，微波成像技術(shù)能夠發(fā)現(xiàn)早期癌變或軟組織損傷，進而提高惡性腫瘤的診斷率和治愈率、延長病人的生命；而與磁共振成像技術(shù)相比，微波成像技術(shù)的優(yōu)點是整個成像系統(tǒng)的造價非常低。此外，微波成像系統(tǒng)所產(chǎn)生的電磁輻射與日常生活中廣泛使用的手機的電磁輻射相當，不會對人體的組織、器官造成損害。因此，微波成像系統(tǒng)目前已經(jīng)受到各國學者和工程界的

2、普遍關(guān)注和重視，被認為是理想的數(shù)字化醫(yī)療診斷設(shè)備之一。因而，微波成像不僅具有重要的理論研究價值，也具有廣闊的工程應(yīng)用前景。本文研究了微波成像逆散射問題的數(shù)值計算方法和技術(shù)。利用最小二乘法將電磁逆散射問題轉(zhuǎn)化為非線性數(shù)學規(guī)化問題；在正問題的分析計算方面，提出了散射場計算的二階玻恩近似法和基于三維仿真軟件HFSS的三維有限元方法：在逆問題的求解算法研究中，提出了一種改進的禁忌搜索算法。在此基礎(chǔ)上通過禁忌算法與腳本語言的混合編程開發(fā)了三維微波

3、成像數(shù)值分析軟件。本文將電磁散射逆問題抽象成基于最小二乘的非線性全局最優(yōu)化問題。在正問題的處理上，本文創(chuàng)造性的利用MATLAB語言和三維仿真軟件HFSS的腳本編程進行三維建模，充分利用兩者在不同領(lǐng)域的計算優(yōu)勢，從而獲得更加精確的外圍散射場；在逆問題的解決過程中，本文首先從多個方面改進了傳統(tǒng)禁忌算法，提出了一種改進的禁忌算法。并且在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了禁忌算法與腳本語言的混合編程。仿真實驗證明，本文方法在解決二維以及較復(fù)雜三維非線性成像問題時，

4、在收斂速度以及求解精度都具有突出的優(yōu)勢，具有較好的實際應(yīng)用價值。本研究分為五個部分：
　　 第一章主要介紹了本課題的背景及意義，簡單概述了微波成像技術(shù)研究的現(xiàn)狀以及本文所要進行的相關(guān)研究。
　　 第二章重點介紹了微波成像中的電磁逆散射問題的分析、計算方法以及散射場的數(shù)學模型，在此基礎(chǔ)上參照二階玻恩近似技術(shù)對散射場進行簡化處理并且提出問題的數(shù)學模型。
　　 第三章重點介紹禁忌算法的一般原理，在此基礎(chǔ)上做出了一系列的

5、改進，然后基于改進的禁忌搜索算法和2BA近似模型，提出了一種微波成像電磁場逆問題的計算方法，最后通過實例計算展示了說明了該方法的求解效果。
　　 第四章首先簡要介紹了HFSS軟件進行散射場計算的原理，然后重點研究了微波成像逆散射分析中散射場計算的具體實施過程，最后介紹了HFSS的腳本語言及其相關(guān)應(yīng)用。
　　 第五章主要給出了本文計算方法在三維單散射體仿真模型以及多個強散射體仿真模型的數(shù)值仿真結(jié)果，包括在同樣模型中與其他算