基于GPU加速的太赫兹电磁逆散射成像方法的研究

来源 :中国石油大学(华东) | 被引量 : 0次 | 上传用户:xiangqi520
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电磁逆散射成像技术是一种有效的无损检测技术,被广泛的应用在生物医学、国防安全、地质检测等多个领域,该技术可以实现亚波长级别的目标体重建。目前,逆散射成像技术中常选用的电磁波为频率在100M-100G Hz间的微波频段。该频段的电磁波频率较低,存在提高成像结果的分辨率的困难。另外,在现有的电磁逆散射成像算法中,以对比源反演(Contrast Source Inversion,CSI)为代表的基于矩量法的迭代类算法,反演过程计算量大且对计算机的资源要求较高,存在计算效率低的问题。针对现阶段电磁逆散射检测技术在成像分辨率和成像效率上的局限,本论文探索了基于图形处理器(Graphics Processing Unit,GPU)并行加速的太赫兹电磁逆散射成像方法。本论文的主要工作如下:(1)介绍了二维情况下TM电磁波逆散射问题的基础理论知识。详细研究了格林函数法、共轭梯度法、有限差分法三种电磁逆散射正演问题的求解方法,并分析了各数值正演计算方法的实现效果和适用范围。(2)研究了基于积分方程的乘性正则化对比源反演(Multiplicative Regularized Contrast Source Inversion,MRCSI)成像算法、基于有限差分法的乘性正则化反演成像算法(Finite Difference Multiplicative Regularized Contrast Source Inversion,FD-MRCSI)的原理和计算流程。并且从理论上,提出了具有更优性能的增量乘性正则化对比源反演成像算法(Incremental Distroted Multiple Regularized Contrast Source Inversion,ID-MRCSI)。(3)将频段在0.1-10THz之间的太赫兹电磁波,应用在反演成像算法中。通过仿真计算验证了,MRCSI、FD-MRCSI和ID-MRCS三种算法的可行性。并且通过设置不同的仿真条件,分别从成像分辨率、抗干扰性和在复杂背景下的重建效果三方面对比了这三种反演成像算法。对比结果显示,ID-MRCSI的成像分辨率最高,在6.4mm×6.4mm的目标区域内,能够达到0.1mm的分辨率;在抗噪声和对复杂目标体重建方面,其成像效果也是最优的。(4)开发了可实现人机交互的太赫兹电磁逆散射成像系统。将正演和反演计算过程整合为便捷高效的用户界面,极大地简化了操作流程。(5)介绍了并行计算技术的优势,在Matlab平台上实现了电磁逆散射的GPU并行加速方法。并比较了在普通串行计算和并行计算方式下,各反演计算方法在程序执行效率的变化。结果表明,并行计算的加速效果显著,最优情况下计算效率可提升10倍以上。
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