موقعیت یابی پراکنده گرهای الکترومغناطیسی با استفاده از الگوریتم های بازسازی خطی و غیرخطی

اختصاصی از فایلکو موقعیت یابی پراکنده گرهای الکترومغناطیسی با استفاده از الگوریتم های بازسازی خطی و غیرخطی دانلود با لینک مستقیم و پر سرعت .

موقعیت­ یابی پراکنده­ گرهای الکترومغناطیسی با استفاده از الگوریتم ­های بازسازی خطی و غیرخطی برای کاربردهای تصویربرداری مایکروویو

165 صفحه در قالب word

فهرست مطالب:

1

فصل اول : مقدمه

1

1-1- پیش گفتار   ..........................................................................................................     

6

1-2- پیشینه پژوهش  ....................................................................................................

10

1-3- ساختار رساله   ......................................................................................................

12

فصل دوم : تصویربرداری مایکروویو  

12

2-1- مقدمه  ..................................................................................................................

13

2-2- مقایسه روش‌های مختلف تصویربرداری  .................................................................. 

14

2-2-1- تصویربرداری با اشعه X   ........................................................................

16

2-2-2- تصویربرداری به روش MRI  ...................................................................

18

2-2-3- تصویربرداری با اشعه مافوق صوت  ............................................................

19

2-2-4- تصویربرداری با اشعه مایکروویو   ..............................................................

21

2-3- مروری بر روش­های مختلف تصویربرداری مایکروویو   ..............................................

24

2-4- چالش­های موجود در تصویربرداری مایکروویو  ......................................................... 

24

2-4-1- مقدمه  ..................................................................................................

24

2-4-2- سیگنال­های چند مسیری  ......................................................................

26

2-4-3- چالش­های استفاده از محیط با اتلاف  .......................................................

26

2-4-3-1- تاثیر القای متقابل  .....................................................................

27

2-4-3-2- گستره دینامیکی بخش الکترونیک  .............................................

27

2-4-3-3- ایزولاسیون کانال به کانال ...........................................................

28

2-4-3-4- انتخاب آنتن ...............................................................................

29

2-4-3-5- نویز محیط زمینه  ......................................................................

29

2-5- مروری بر سیستم­های عملی تصویربرداری مایکروویو  ..............................................

29

2-5-1- سیستم تصویربرداری دانشگاه Dartmouth  .............................................

31

2-5-2- سیستم تصویربرداری توسعه یافته دانشگاه Dartmouth  ...........................

34

2-5-3- سیستم تصویربرداری مایکروویو در دانشگاه Manitoba  ............................

36

2-5-4- سیستم تصویربرداری Fresnel  ...............................................................

38

2-5-5- سیستم تصویربرداری Barcelona  ............................................................

40

2-5-5-1- آرایه استوانه­ای  .........................................................................

41

2-5-5-2- شبکه سوئیچینگ  .....................................................................

42

2-5-5-3- داده­برداری و کالیبراسیون  .........................................................

44

فصل سوم : روش­های موقعیت­یابی پراکنده­گرهای الکترومغناطیسی در تصویربرداری مایکروویو   

44

3-1-  مقدمه  ..............................................................................................................

49

3-2- معادلات مربوط به روش تصویربرداری با  MUSIC ..................................................   

54

3-2-1- الگوریتم معکوس زمانی MUSIC  ...........................................................    

56

3-3- بررسی عملکرد الگوریتم MUSIC در موقعیت­یابی  .................................................  

56

3-3-1- تاثیر نویز  ................................................................................................

59

3-3-2- تاثیر فاصله بین پراکنده­گرها  ...................................................................

61

3-3-3- تاثیر ابعاد پراکنده­گرها  ............................................................................

63

3-3-4- تاثیر تعداد پراکنده­گرها  ...........................................................................

65

3-4- تخمین تعداد پراکنده­گرها  ....................................................................................

67

فصل چهارم : یک روش تحلیلی جدید جهت تخمین تعداد پراکنده­گرها به کمک الگوریتم MUSIC 

67

4-1- مقدمه  ...............................................................................................................

68

4-2- مروری بر تئوری تصویربرداری با MUSIC  ...........................................................

69

4-3- روش­های تخمین شدت پراکندگی اهداف  ..............................................................

72

4-4- روش پیشنهادی  ...................................................................................................

73

4-4-1- حالت تقریب Born  .................................................................................

79

4-4-2- حالت وجود برهم­کنش بین اهداف  ...........................................................

80

4-4-3- پیچیدگی محاسباتی روش پیشنهادی  ......................................................

81

4-5- شبیه­سازی­های عددی ............................................................................................

81

4-5-1- شبیه­سازی با آرایه Coincident  ..............................................................

87

4-5-2- شبیه­سازی با آرایه Non-coincident  ......................................................

90

4-6- شبیه­سازی با داده عملی  .......................................................................................

92

4-7- جمع­بندی مطالب  .................................................................................................

93

4-8- ضمیمه   ...............................................................................................................

97

فصل پنجم : الگوریتم MUSIC توسعه یافته جهت موقعیت­یابی پراکنده­گرها در سیستم­های عملی تصویربرداری مایکروویو 

97

5-1- مقدمه  ...............................................................................................................

100

5-2- داده­برداری در یک سیستم تصویربرداری مایکروویو واقعی  .....................................

101

5-3- روش پیشنهادی  .................................................................................................

102

5-3-1- مدل ریاضی مساله داده­برداری  .................................................................

105

5-3-2- روش­های تخمین حداقل مربعات  .............................................................

108

5-4- شبیه­سازی عددی  .................................................................................................

109

5-4-1- شبیه­سازی با داده تولید شده از مدل Foldy-Lax  ....................................

121

5-4-2- شبیه­سازی با داده تولید شده توسط روش FDTD ....................................

126

5-5- شبیه­سازی با داده عملی ........................................................................................

131

5-6- جمع­بندی مطالب  .................................................................................................

132

فصل ششم :  نتیجه گیری و پیشنهادات  

132

6-1- نتیجه گیری  .......................................................................................................

135

6-2- پیشنهادات ............................................................................................................

137

مراجع    .............................................................................................................................

چکیده:

تصویربرداری مایکروویو توسط بسیاری از محققین مورد توجه قرار گرفته و در طول چند دهه اخیر توسعه داده شده است. تصویربرداری مایکروویو یک مساله پراکندگی معکوس بوده و روشهایی که برای حل مسائل پراکندگی معکوس به کار می­روند را می­توان به دو دسته کلی روش­های خطی و غیرخطی تقسیم نمود. روشهای پراکندگی معکوس غیرخطی، قادر به بازسازی کمی اهداف می­باشند ولی به علت محاسبات زیاد، کاربرد آنها در سیستم­های عملی با محدودیت روبروست. اخیراً روشهای پراکندگی معکوس خطی مبتنی بر پردازش زیر فضا مانند روش MUSIC جهت حل مشکلات الگوریتم­های غیرخطی پیشنهاد شده­اند. روش MUSIC قادر به موقعیت­یابی اهداف از روی نقاط قله طیف شناخته شده می­باشد. برای تشکیل این طیف، تعداد اهداف می­بایست از قبل معین باشد. حضور نویز باعث بوجود آمدن ابهام جهت تعیین تعداد اهداف می­شود.

در این رساله، یک روش تحلیلی جهت تخمین موقعیت و تعداد هدف­های با ابعاد کوچک در مسائل تصویربرداری 2 بعدی ارائه شده است. در این روش در مرحله اول، از الگوریتم MUSIC استفاده شده و تمام موقعیت­های ممکن برای اهداف بدست می­آید و در مرحله بعد، با به کار بردن یک فرمول تحلیلی که مانند یک فیلتر مکانی عمل می­کند، هدف­های واقعی از هدف­های مجازی جدا می­شوند. نتایج شبیه سازی­ها قابلیت روش پیشنهادی را به اثبات می­رساند.

الگوریتم MUSIC بر اساس تجزیه SVD ماتریس  MSRکار می­کند و این ماتریس در سیستم­های واقعی تصویربرداری مایکروویو کامل نمی­باشد. در این رساله، روشی جهت تکمیل داده­های ماتریس MSR اندازه­گیری شده از سیستم­های عملی پیشنهاد شده است. در این روش، به کمک روش تخمین حداقل مربعات، داده­های نامعین ماتریس MSR تخمین زده شده و ماتریس کامل MSR (CMSR) شکل می­گیرد. داده­های نامعین ماتریس MSR مربوط به سیگنال در گیرنده­های غیرفعال به ازای هر فرستنده فعال می­باشد. روش پیشنهادی با استفاده از داده عملی موسسه Fresnel  مورد آزمایش قرار گرفته و همچنین به ازای داده­های مختلف شبیه­سازی شده مشابه داده واقعی، تست و آزمایش شده است.

پیش­گفتار

امروزه سرطان سینه یک مشکل جدی برای دنیای مدرن به حساب می­آید. طبق آمار سازمان سلامت جهانی، این سرطان معمولترین نوع سرطان در زنان می­باشد و بیش از 30 درصد از زنان در طول مدت زندگی به این سرطان مبتلا می­شوند ]1[. تشخیص اولیه سرطان کلیدی برای درمان موفق آن می­باشد. روش­های تصویربرداری مختلفی جهت تشخیص سرطان سینه استفاده می­شود که یکی از این روش­ها تصویر برداری مایکروویو[1] می­باشد. این روش تصویر­برداری نسبت به روش تصویربرداری CT[2] و روش MRI[3] دارای مزیت­هایی از قبیل قابلیت بالای تشخیص بافت سرطانی به علت کنتراست زیاد بافت سالم و بافت سرطانی در باند مایکروویو، استفاده از تشعشع غیر یونیزه (مضر نبودن) و هزینه نسبتا پایین می­باشد ]2[. چالش اصلی برای رقابت روش تصویربرداری مایکروویو با روشهای CT و MRI قدرت تفکیک­پذیری پایین­تر این روش تصویربرداری نسبت به دیگر روش­ها می­باشد. روش تصویربرداری مایکروویو توسط پژوهشگران ژئوفیزیک برای تست­های غیرمخرب[4] بر روی زمین ]3[، جهت مصارف نظامی از قبیل هالوگرافی داده­های رادار، در پردازش داده­های GPR[5]] 4[ و ]5[ ، بیوپزشکی ]6[، مهندسی عمران و کنترل ساختارهای فلزی عمیق به منظور آشکارسازی عیوب، تغییرات یا شکاف­های ایجاد شده در این ساختارها] 9-7[، تشخیص ساختار کریستال، بررسی میکروسکوپی اشعه ایکس منطبق و نوری و پراکندگی معکوس موج الاستیک] 10[ بکار گرفته شده است.

تحقیقات جدی بر روی بکارگیری تصویربرداری مایکروویو در مهندسی پزشکی جهت تشخیص سرطان سینه از دهه 90 آغاز شده و ساخت دستگاه­های نمونه MI، پتانسیل بالای کاربردی این روش را نشان داده است ]11[. کاربردهای پزشکی این روش شامل تشخیص سرطان سینه، تصویربرداری از سر انسان، تشخیص سرطان ریه، کبد و شش، تصویر برداری از استخوان و تشخیص کم خونی موضعی در اجزای مختلف انسان می­باشد. در کاربرد تشخیص سرطان سینه، بافت سینه در یک محیط زمینه همگن قرار گرفته و توسط تعدادی فرستنده­ باند مایکروویو تحت تشعشع قرار می­گیرد. میدان الکترومغناطیسی پراکنده شده­ ناشی از بافت سینه و ناهمگنی­های موجود در آن توسط تعدادی گیرنده دریافت می­گردد و سپس با پردازش داده­های اندازه­گیری شده، امکان بازسازی توزیع گذردهی مختلط[6] (پروفایل) بافت سینه و تشخیص موقعیت، شکل و تعداد پراکنده­گرهای موجود در آن (سلول­های سرطانی) فراهم می­شود.

بازسازی کامل توزیع CP شیء، یک مساله پراکندگی معکوس می­باشد. بطور کلی دو دسته مسائل پراکندگی شامل مسائل پراکندگی مستقیم[7] و معکوس[8] در الکترومغناطیس وجود دارد:

الف) مسائل پراکندگی مستقیم که حل آنها از طریق حل معادلات دیفرانسیل یا حل معادله انتگرالی میدان الکتریکی به ازای توزیع گذردهی معین برای شیء بدست می­آید. معادله انتگرالی میدان الکتریکی که در آن میدان داخل شیء بصورت تابعی از خودش ظاهر می­شود، یک معادله­ انتگرالی غیر خطی بوده و در اغلب موارد نمی­توان یک جواب تحلیلی برای آن ارائه کرد. لذا از روش­های عددی حوزه­ زمان و فرکانس برای حل مساله پراکندگی مستقیم استفاده می­شود. در روش­های حوزه زمان معادلات ماکسول در حوزه زمان بطور عددی حل شده و  خطای ناشی از غیر ایده­آل بودن شرایط مرزی ، بار محاسباتی بالا و افزایش این دو با بزرگتر شدن اندازه شیء از جمله محدودیت­های این روش­ها می­باشند. این روش­ها برای کاربردهای باند وسیع مناسب بوده و نمونه­ای از آنها [9]FDTD  ،[10]FVTD  و [11]FETD  می­باشند ]14-12[. در روش­های حوزه فرکانس، معادلات فازوری ماکسول بطور عددی برای یک فرکانس خاص حل شده و لذا برای کاربردهای باند باریک مناسب می­باشند. یک نمونه از این روش­ها، روش[12]MOM  است. این روش، معادلۀ انتگرالی ماکسول را جزء جزء کرده و به معادله ماتریسی خطی تبدیل و سپس حل می­کند. روش MOM، یک روش دقیق بوده ولی به علت معادلات ماتریسی حجیم حاصل شده، دارای سرعت کم  و محدود به اشیاء با اندازه کوچک می­شود.

روشی دیگر در حوزه فرکانس، بر اساس بسط میدان پراکندگی به سری Born برای حل معادله انتگرالی ماکسول است. این روش سریعتر از روش MOM می­باشد و برای اشیاء با اندازه کوچک که تغییرات ناهمگنی آنها بر حسب مختصات مکانی هموار است مناسب خواهد بود ]15[.

ب) مسائل پراکندگی معکوس که در آنها با اندازه­گیری امواج پراکنده شده از محیط مزبور و با معلوم بودن میدان تابیده شده، شکل و یا پارامترهای موانع موجود در محیط را تعیین می­کنند. بطور کلی مسائل معکوس در زمینه­های زیادی مانند پراکندگی الکترومغناطیس، CT ، سنجش از دور، ژئوفیزیک، هواشناسی و ... بکار می­روند. این مسائل اغلب بد وضعیت[13] می­باشند. هادامارد[14] در سال 1923 سه شرط برای خوش وضعیت بودن[15] مسائل مطرح کرد. تخطی از هر کدام از شرط­ها باعث بد تعریف شدن مساله می­شود. 1- جواب مساله موجود باشد ، 2- جواب مساله یکتا[16] باشد و 3- جواب مساله بطور پیوسته به داده ورودی وابسته باشد. برای بسیاری از مسائل وجود داشتن جواب موضوع اصلی نبوده و چالش اصلی در حل مسائل معکوس مربوط به دو موضوع یکتایی جواب و پایداری آن می­باشد. برای حل مشکل بد­ تعریف بودن این مسائل از روش­های مختلف رگولاسیون[17] استفاده می­شود. یکی از معروفترین روش­های رگولاسیون روش Thikhonov می­باشد که در سال 1963 توسط Thikhonov مطرح شده و از یک کتاب ریاضی منشا گرفته است ]16[. در زمینه توسعه روش­های مختلف رگولاسیون برای مسائل معکوس بخصوص مسائل پراکندگی معکوس الکترومغناطیس، تاکنون کارهای زیادی صورت گرفته و در حال انجام می­باشد و این زمینه کاری، یک زمینه باز تحقیقاتی می­باشد.

چون فقط تکه هایی از متن برای نمونه در این صفحه درج شده است ممکن است هنگام انتقال از فایل اصلی به داخل سایت بعضی متون به هم بریزد یا بعضی نمادها و اشکال درج نشود، ولی در فایل دانلودی همه چیز مرتب و کامل می‌باشد.
متن کامل با فرمت word را که قابل ویرایش و کپی کردن می باشد، می توانید در ادامه تهیه و دانلود نمائید.