شماره ركورد
31731
پديد آورنده
محمدعلي دماوندي
عنوان
تصويربرداري كيفي و تمركز توان با استفاده از آرايه آنتنها در فركانسهاي مايكروويوي
مقطع تحصيلي
دكتري تخصصي (PhD)
رشته تحصيلي
مهندسي برق- مخابرات ميدان و موج
سال تحصيل
1397
تاريخ دفاع
1403/4/9
استاد راهنما
محمد خلج اميرحسيني
استاد مشاور
/
دانشكده
مهندسي برق
چكيده
هدف اول اين رساله تصويربرداري مايكروويو كيفي و تشخيص محل و شكل اجسام پنهان در داخل يك فضاي دو بعدي است كه در راستاي بعد سوم كشيده شده، و توسط آرايه آنتنها محصور شده است. براي اين منظور، آرايهاي از آنتنها در مرز فضا قرار ميگيرند. براي تابش هر فرستنده، ميدانهاي الكتريكي توسط همه گيرندهها در دو حالت با و بدون پراكندهگر در مرز فضايِ مورد مطالعه، اندازهگيري ميشود و با استفاده از اختلاف بين ميدانهاي الكتريكي اندازهگيري شده كه ميدانهاي الكتريكي پراكندگي هستند به دو روش پيشنهادي مزدوج ميدان الكتريكي، و وارون-ضربي ميدان الكتريكي، در يك فركانس مشخص توزيع جريانهاي القائي روي پراكندهگرها در هر تابش به دست ميآيد. در نهايت شكل و محل پراكندهگرها به دور از محاسبات سنگين و بدون استفاده از هرگونه تقريب، با در نظر گرفتن توزيع جريانهاي القائي بازسازي شده براي همه تابشها، بازسازي ميشود. روشهاي پشنهادي مستقل از كنتراست پراكندهگر و محيط پسزمينه، و شكل و محل قرار گرفتن پراكندهگرها هستند. فرض مورد استفاده همگن بودن پراكندهگر و معلوم بودن محيط پسزمينه است. براي ارزيابي روشهاي پيشنهادي مثالهاي متنوع شامل انواع تك پراكندهگر با سطح مقطع دايره و مربع، حالتهاي مختلف چند پراكندهگر، محيط پسزمينه ناهمگن، و تومور در محيط پسزمينه شبيه بافت مغز با شبيهسازيهاي تمام موج در نرم افزار CST بررسي شدهاند. در اين مثالها پراكندهگرهاي هادي كامل و ديالكتريك با كنتراست ضريب گذرهي 0/5 تا حدود 67 نسبت به محيط پسزمينه بازسازي شدهاند. همچنين علاوه بر تصويربرداري دو بعدي در يك مدل سه بعدي سر، تومور كروي به شعاع 1 سانتيمتر در فركانس 600 مگاهرتز تشخيص داده شده است. در ادامه براي پراكندهگر و محيط پسزمينه همگن و تحليل تئوري منابع خطي، صرف نظر از كوپلينگ بين عناصر، بدون نياز به تحليل تمام موج تصوير پراكندهگر بازسازي شده است. در ادامه هر دو روش پيشنهادي از طريق اندازهگيريهاي عملي مورد تأييد قرار گرفتهاند. همچنين استفاده از منابع خطي در روش تقريب بورن مختصراً بررسي شده است. روش تصويربرداري كيفي ديگري تحت عنوان جستجوي معادل، براي يافتن جريانهاي معادل پيشنهاد شده است كه ميدانهاي پراكندگي آن بيشترين شباهت را با ميدانهاي اندازهگيري شده دارد، و لذا از بين جوابهاي مورد بررسي توزيع جرياني انتخاب ميشود كه كمترين خطا را دارد. هدف دوم ايجاد تمركز توان در محل دلخواه در محيط مورد مطالعه با استفاده از آرايه آنتنها در فركانسهاي مايكروويو است. با اعمال تغييراتي در روش و ساختار پيشنهادي براي تصويربرداري، امكان پيادهسازي تمركز توان مايكروويو وجود خواهد داشت. از اينرو دو روش براي تمركز توان پشنهاد شده است روش اول بر مبناي بهينهسازي پارامتر تعريف شده با عنوان "توانايي تمركز" است، بطوريكه دامنه و فاز مناسب سيگنال تحريك عناصر آرايه را پيدا ميكند. اين پارامتر با استفاده از فرم تحليلي توان الكترومغناطيسي بدست آمده است. روش دوم براساس روش مزدوج ميدان الكتريكي است. هر دو روش با بيان مثالهايي همانند بافت چربي ارزيابي شدهاند و با تحليل تمام موج در نرمافزارهاي COMSOL و CST تاييد شدهاند. هر دو روش پيشنهادي سرعت پيدا كردن سيگنالهاي تحريك را نسبت به روشهاي تمام موج بطور قابل ملاحظهاي افزايش دادهاند. همچنين با استفاده از روش مزدوج ميدان امكان تمركز با تعداد كمتري از عناصر آرايه وجود دارد. در ادامه شرايط مختلفي كه ميتوانند منجر به ايجاد نقاط تمركز ناخواسته شوند به تفصيل بررسي شده است. اين نقاط تحت عنوان لوبهاي مزاحم ميدان نزديك در تمركز معرفي شدهاند. با تعريف پارامتر "سمتگرايي" در تمركز توان، عملكرد تمركز در حضور لوبهاي مزاحم و در شرايط مختلف بررسي شده و در نهايت با استفاده از بهينهسازي پارامتر سمتگرايي در يك ساختار مشابه بافت چربي به همراه تومور، در محل تومور تمركز ايجاد شده است. در انتها موضوعات متفاوتي همچون نويز و حساسيت، نوع، تعداد و كوپلينگ آنتنها، تلفات محيط و يكتايي مورد بحث قرار گرفتهاند.
تاريخ ورود اطلاعات
1403/10/02
عنوان به انگليسي
Qualitative Imaging and Power Focusing Using an Antenna Array at Microwave Frequencies
تاريخ بهره برداري
1/1/1900 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
محمدعلي دماوندي
چكيده به لاتين
The first goal of this thesis has been to perform qualitative microwave imaging to detect the location and shape of hidden objects in a two-dimensional space extended along a third dimension, enclosed by an array of antennas. To achieve this, the array elements (antennas) have been positioned along the boundary of the space. For each transmitted radiation, the electric fields have been measured by all receivers in two scenarios: with and without a scatterer at the boundary of the desired space. Using the difference between these measurements—representing the scattering electric field—two proposed methods, the Conjugate of the Electric Field (CEF) and the Inverse-Multiplicative (or Reciprocal) Electric Field (REF), have been applied at a specific frequency to obtain the distribution of induced currents on the scatterers. The shape and location of the scatterers have been reconstructed using the distribution of these currents for all radiation events, avoiding computational complexity and approximations. The proposed methods have been independent of the contrast between the scatterer and the background and have also been independent of the scatterer's shape and location. It has been assumed that the scatterers are homogeneous and that the background environment is known. To validate the methods, various scenarios have been simulated using CST software, including single scatterers with circular and square cross-sections, multi-scatterer configurations, heterogeneous backgrounds, and a tumor in a brain tissue-like environment. Both PEC and dielectric scatterers with permittivity contrasts ranging from 0.5 to 67 relative to the background have been successfully reconstructed. Furthermore, a spherical tumor with a radius of 1 cm has been detected in a three-dimensional head model using the CEF method at 600 MHz. For homogeneous scatterers and backgrounds, the scatterer image has been reconstructed using electric line source theory by neglecting the array element coupling, without requiring full-wave analysis. Practical measurements have verified both proposed methods. Additionally, the use of electric line sources within the Born approximation framework has been briefly investigated. Another qualitative imaging technique, the Equivalent Search method, has been introduced to identify equivalent currents whose scattering fields closely match measured scattering fields, selecting the current distribution with minimal error. The second goal has been to achieve power focusing at a desired location in the studied environment using an antenna array at microwave frequencies. By modifying the proposed method and structure for imaging, microwave power focusing has been implemented with the same array arrangement. Therefore, two methods for power focusing have been proposed. The first method is based on optimizing a parameter defined as "focusing ability" to find the appropriate amplitude and phase of the excitation signal of the array elements. This parameter has been derived analytically from the electromagnetic power. The second method leverages the CEF technique. Both methods have been evaluated with examples, including fatty tissue, and validated using full-wave simulations in COMSOL and CST software. These methods have significantly reduced the time required to find excitation signals compared to full-wave approaches. Additionally, the CEF method allows power focusing with fewer array elements. Various conditions that could lead to the creation of unwanted focus points have been investigated in detail. These points have been identified as near-field unwanted lobes in power focusing. By defining the "directivity" parameter in power focusing, the focusing performance in the presence of unwanted lobes and different conditions has been examined. Finally, by optimizing the directivity parameter in an environment similar to fatty tissue with a tumor, focusing has been achieved at the tumor location. Various factors, such as noise, sensitivity, antenna type and number, coupling, environmental losses, and uniqueness, have been discussed.
كليدواژه هاي فارسي
تصويربرداري مايكروويو , تصويربرداري كيفي , تمركز توان مايكروويو , آرايه آنتن
كليدواژه هاي لاتين
Microwave Imaging , Qualitative imaging , Microwave power focusing , Antenna Array
Author
Mohammad Ali Damavandi
SuperVisor
Dr. Khalaj