一种基于非均匀背景介质的弹性波成像方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN109239771A(43)申请公布日2019.01.18(21)申请号201810906598.9(22)申请日2018.08.10(71)申请人杭州电子科技大学地址310018浙江省杭州市下沙高教园区2号大街(72)发明人徐魁文楚彦青赵文生陈世昌赵鹏王高峰(74)专利代理机构杭州君度专利代理事务所(特殊普通合伙)33240代理人黄前泽(51)Int.Cl.G01V1/28(2006.01)权利要求书5页说明书11页附图2页(54)发明名称一种基于非均匀背景介质的弹性波成像方法(57)摘要本发明公开一种基于非均匀背景介质的弹性波成像方法，以重建嵌入非均匀背景介质中的未知目标。将非均匀背景，即在有限域内将其作为已知散射体的壁面处理，其优点是避免了非均匀背景格林函数的耗时计算。在此方案下，结合改进的LevenbergMarquardt(LM)算法，提出了一种基于差分积分方程模型的新型方法(ME-LM)以实现图像重建，另外，使用改进的广义交叉验证(GCV)正则化技术来自适应地选择迭代中的正则化参数，提高了迭代过程的稳定性。结果表明，所提出的方法不仅运算速度快，收敛性好，而且能够减轻非线性，能够重构出背景对比度高的未知散射体。仿真测试和实际测试均验证了该方法的有效性。CN109239771ACN109239771A权利要求书1/5页1.一种基于非均匀背景介质弹性波成像方法，弹性波为电磁波，其特征在于包括以下：步骤(1)、根据离散的网格位置和发射装置、接收装置的位置，计算格林函数数和并根据非均匀背景的对比度和场积分方程(4)-(6)计算出相应的非均匀背景总场场强散射场场强和对比源其中为离散后的格林函数G(rs，r′)的积分算子；是离散后的格林函数G(r，r′)的积分算子；表示一个位于空间rs处的点源对其周围空间某一点r′所产生的场；表示一个位于空间r处的点源对其周围空间某一点r′所产生的场；为第一类零阶汉克尔函数，i表示虚数，k0是弹性波的波数；具体是：总场积分方程：其中表示位于r处的入射场场强；χ(r′)＝(∈(r′)-∈0)/∈0，它为∈r的对比度函数，∈0表示弹性波穿过的介质的某种物理特性；L为发射装置的个数；散射场积分方程：表示的是位于rs处的接收装置所接收到的散射体产生的散射场数据，M为接收装置的个数；对比源为对比度和总场的乘积，定义为：Il(r)＝χ(r)El(r)(3)将公式(1)-(3)离散化得到：总场场强：散射场场强：对比源：其中(m，n)代表离散网格的中心坐标，为第(m，n)个离散网格的感应电流，为各个离散网格感应电流的集合，是离散后的格林函数G(r，r′)的积分算子，为离散后的格林函数G(rs，r′)的积分算子，是χ(r′)的对角矩阵形式；由于非均匀背景介质的对比度已知，因此进一步可以得到：2CN109239771A权利要求书2/5页非均匀背景总场场强非均匀背景散射场场强非均匀背景对比源步骤(2)、初始化未知散射体对比度参数和正则化参数α，并对它们赋值初值为0，同时设定迭代次数p＝0；步骤(3)、将未知散射体对比度代入到公式(10)和(11)中，得到未知散射体的对比源和未知散射场理论值F(Δχ)，并求取此次迭代获得的未知散射场理论值F(Δχ)和未知散射体对比度之间的雅可比矩阵D，并进行奇异值分解；具体是：由于非均匀背景介质的对比度已知，因此可将探测区域的对比度和总场以及对比源分为已知的非均匀背景介质和背景介质里面的未知散射体这两部分：其中分别表示非均匀背景的对比度、总场、对比源，分别表示未知散射体的对比度、总场、对比源；将公式(7)、(8)、(9)代入公式(4)、(6)则得到关于未知散射体对比源的对比源积分方程：将公式(10)代入到公式(5)中，则可以得到关于未知散射体的散射场场强理论值，也即目标函数：其中⊙的定义为两个矩阵的乘法，vec{}定义为向量化张量的操作，公式(11)表明目标函数仅仅只是关于未知散射体的对比度的函数；根据es代表表示已知非均匀背景的散射场场强数据和未知散射体的散射场测量数据之和，即接收装置直接接收到的数据，代表的是表示已知非均匀背景的散射场场强数据，由于也是已知，故而得到背景里面的未知散射体的散射场实测数据：根据上述构建未知散射体的对比度的成本函数：s2f(Δχ)＝||F(Δχ)-Δe||min(12)由于公式(12)的病态性，利用ME-LM方法进行优化，可以得到以下方程：**s[DD+αI]Δ(Δχα)＝Dδe(13)ss其中α表示正则化参数，I是单位矩阵；δe＝Δe-F(Δχc)表示测量的未知散射体的散射场测量数据与利用公式(11)计算的未知散射体的散射场场强理论值之间的差值；其中Δ3CN109239771