各向异性材料电磁特性空间分布重构方法研究

This project is aimed for defect examination of anisotropic dielectric material. Three dimensional spatial distribution of electromagnetic properties reconstruction method used for micro defect non-destructive testing is proposed. High resolution mechanism of micro defect and multiple defects detecting will be studied by using three dimensional time-domain full-wave electromagnetic scattering simulation for anisotropic material. And multiple error terms will be comprehensively analyzed. The optimal position of probes in full three dimensional space will be arranged form the scattering information in full wave simulations. The method that the data calculated by synthetic aperture radar algorithms are used as priori information is proposed for inverse algorithm regularization to improve convergence of the method. Various optimization and deep learning algorithms will be explored for the applications in three dimensional electromagnetic parameters reconstruction. A combined parallel acceleration method based on GPU hardware for both forward and inverse algorithms is proposed to reduce the computation time of reconstruction algorithm. A simulated multiple input multiple output sampling systems for nondestructive testing will be established. Micro defects reconstruction method will be validated by experimental test. And the time domain inversion based method for the electromagnetic parameters distribution three dimensional reconstruction of anisotropic target will be comprehensively studied and will be used in high resolution and fast non-destructive testing and medical inspection equipment development in the future.

本项目针对各向异性介质材料的缺陷检测需求，提出了一种可用于微小缺陷结构无损检测的材料电磁特性三维空间分布重构方法，通过各向异性介质材料进行三维时域全波电磁散射仿真计算，研究微小缺陷结构及多缺陷结构的高分辨机理，并进行多误差项的全面分析，根据空间散射信息设计全三维空间探测点优化布局方案；提出以合成孔径雷达算法生成先验数据，进行电磁参数反演算法正则化处理，提升算法收敛性的方法，并探索各类优化算法，深度学习算法在全三维空间电磁参数反演中的应用；提出基于GPU硬件加速的正反演算法联合并行加速方法，减少重构算法的计算耗时；建立模拟多输入多输出采集的微波毫米波微缺陷无损检测系统，进行重构方法的实测试验验证，完成基于时域全波正反演的各向异性待测目标三维电磁参数分布重构方法的研究，并可简化应用到二维各向同性介质的检测中，为快速高分辨率的无损检测、医疗检验等设备的研制奠定技术基础。

在无损检测、医学检验、穿墙及探地测量，人体安检等需求推动下，微波毫米波成像已经得到了广泛应用，但是更高的分辨率以及更快的成像速度一直是该领域所追求的重点。成像本质上是一种电磁场逆散射问题的求解，是计算电磁学的重要研究研究课题之一，也是电磁学的重要应用方向，本项目以电磁场逆问题求解为基础，面向微波毫米波成像的高分辨率及高速需求，开展了成像阵列以及成像算法的研究，提出了多种适用于多输入多输出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）逆散射成像的阵列布局形式，并进行了详细的成像仿真试验；提出了基于参数化模型的MIMO微波关联成像方法；提出了以合成孔径雷达算法生成先验数据，进行电磁参数反演算法加速的方法；创新性地将逆散射问题的求解方式用于逆辐射问题的求解，应用于平面波发生器的设计中。.在成像阵列设计方面，提出了三种MIMO阵列结构中，给出了不同类型阵列的通用型设计公式，详细分析了各类阵列的多种误差，并在保证误差相同的情况下，提升了天线的利用率。. 基于各阵列布局，对不同算法进行了仿真试验，后向投影（Back Projection，BP）算法各种阵列的成像质量性能较好；对于距离偏移（Range Migration，RM）算法因等效问题，不同阵列的成像质量有明显差异，通过阵列成像校准方法，用较少的收发阵元实现了更高质量的图像重构。. 在MIMO微波关联成像方面，进行了伪逆（Pseudo Inverse，PI）算法试验，本项目设计的MIMO阵列能大幅提高成像的分辨率，对于正交匹配追踪（Orthogonal Matching Pursuit，OMP）算法，其稳定性高，抗干扰能力、抗噪声能力更强。. 在高分辨电磁参数空间分布反演成像方面，提出了一种利用合成孔径成像结果提供先验信息提升电磁反演效率的方法，解决逆散射计算效率问题，与没有先验信息的反演方法相比，基于BP先验信息的反演方法具有更高的精度和更快的运算速度。. 在逆辐射问题分析方面，提出了利用参数反演算法进行辐射源设计的方法，利用反演方法求解平面波发生器中幅相分布逆设计，验证了该方法的可行性，并证明了该方法比传统优化算法具有更强的鲁棒性。

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