[发明专利]断层摄影成像系统、断层摄影成像方法和存储介质

说明书

一种断层摄影成像系统接收由对象的内部结构散射的波场的频率集合处的测量结果，递归地重构对象的内部结构的图像，直到满足终止条件为止，并且渲染重构图像。对于当前迭代，该系统将频率添加到先前迭代期间使用的先前频率集合以产生当前频率集合，使得添加的频率高于先前频率集合中的任何频率，并且重构对象的内部结构的当前图像，该当前图像将在当前频率集合处测量的散射波场的一部分与从当前图像合成的波场之间的差最小化。在先前迭代期间确定的先前图像初始化当前图像的重构。

技术领域

本发明涉及断层摄影，并且更具体地，涉及通过解决逆散射问题来重构对象的内部结构的图像的断层摄影成像系统。

背景技术

对材料内的介电常数的空间分布的了解对于许多应用(诸如微波成像、生物显微镜、医学成像、穿墙成像(TWI)、基础设施监测和地震成像)非常重要。特别是，介电常数的确定能够使材料的内部结构可视化并表征其物理特性。例如，在微波成像中，介电常数提供了材料中的对象的结构和特性。在生物显微镜中，介电常数允许在三个维度上可视化内部单元结构。在TWI中，介电常数允许了解壁的介电特性并使用该信息来补偿通过壁传播的信号的延迟。

在典型的情况下，发射器发出诸如电磁(EM)、光或声脉冲等信号，该信号通过材料传播，从材料内部的各种结构反射，并传播到接收器天线阵列。然后，通过数字生成表示介电常数在材料中的分布的图像来可视化材料的成分。这种图像的示例包括对象内部的材料的折射率的图像。然而，根据材料的类型，接收到的反射通常是由传播脉冲的多次反射和/或折射(由于材料中的结构的多次散射造成的)引起的，这会导致干扰重构图像的伪影。

因此，需要一种确定材料的介电常数的分布的图像的方法，该图像解释了通过材料传播的探测脉冲的多次散射。然而，脉冲的多次散射以非线性方式影响脉冲，使得这种确定更加困难。参见，例如，U.S.Pub.2017/0261538。

发明内容

一些实施方式的目的是重构用有限带宽的电磁波或声波探测的对象的内部结构的图像以测量对象周围的散射波场。传播到对象内部的入射波场在对象内部的材料的边界上产生多个散射波。因此，散射波包含与材料特性的空间分布有关的信息，这导致在许多领域的应用，诸如无损检测、光学断层扫描、地球物理成像、探地雷达和医学成像。例如，重构图像中的材料特性的空间分布可以由对象内部的材料的折射率和/或对象内部的材料的介电常数的分布表示。

一些实施方式基于这样的图像可以通过解决逆散射问题来重构的认识。实际上，探测脉冲的输入波场是已知的，并且可以测量散射波场。逆散射问题旨在找到将已知输入波场转换为散射波场的测量反射的材料的介电常数的分布。然而，逆散射问题是不适定的并且难以解决。

此外，逆散射中存在两种获取模式：传输模式和反射模式，在传输模式中，发射器和接收器位于材料的相对侧，在反射模式中，发射器和接收器位于对象的相同侧。反射设置通常是由于只允许访问材料的一侧的限制而产生的，就像在地下成像的情况一样。为此，反射设置在某些应用中是有效的，但是会导致逆散射问题严重不适定的反射断层扫描场景，因为测量的波场包含的与对象有关的空间频率信息要少得多。为此，一个实施方式的目的是提供适用于反射断层摄影成像的方法和系统。

一些实施方式基于以下认识：用于重构对象的内部结构的逆散射问题可以通过将表示散射波场与从对象的内部结构的图像合成的波场之间的差的成本函数最小化来解决。然而，输入波场对于不同频率被不同地散射，使散射波场复杂化，并使成本函数高度非线性，具有多个局部最小值。因此，最小化这种成本函数的逆散射问题是一个具有挑战性的问题，据我们所知，尚未完全解决。

然而，一些实施方式基于以下认识：与较高频率分量相比，入射波场的低频分量能够进一步渗透到对象的材料中并且表现出与对象的内部结构的较弱相互作用。由于相互作用较弱，所以低频波场穿透期间发生的散射事件较少。因此，与较高频率相比，对应于较低频率的测量结果失配成本函数具有较少的局部最小值。与较高频率测量结果相比，较低频率测量包含较少的空间细节，但是它们可以用于初始化对较高频率测量结果的逆散射问题的优化。