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http://hdl.handle.net/1843/46930
Full metadata record
DC Field | Value | Language |
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dc.contributor.advisor1 | Ricardo Luiz da Silva Adriano | pt_BR |
dc.contributor.advisor1Lattes | http://lattes.cnpq.br/4249905570348130 | pt_BR |
dc.contributor.referee1 | Renato Cardoso Mesquita | pt_BR |
dc.contributor.referee2 | Fernando José da Silva Moreira | pt_BR |
dc.contributor.referee3 | Úrsula do Carmo Resende | pt_BR |
dc.contributor.referee4 | Xisto Lucas Travassos Junior | pt_BR |
dc.creator | Jose Olger Vargas Garay | pt_BR |
dc.creator.Lattes | http://lattes.cnpq.br/1521407125855815 | pt_BR |
dc.date.accessioned | 2022-11-04T17:56:03Z | - |
dc.date.available | 2022-11-04T17:56:03Z | - |
dc.date.issued | 2022-09-12 | - |
dc.identifier.uri | http://hdl.handle.net/1843/46930 | - |
dc.description.abstract | O problema de espalhamento eletromagnético inverso para imageamento em microondas visa recuperar as propriedades dielétricas, localização, tamanho e forma de objetos espalhadores dentro de um domínio de interesse inacessível. Este é um importante campo das aplicações em eletromagnetismo como imagens biomédicas, detecção de objetos enterrados, exploração de petróleo e gás e avaliação não-destrutiva. O imageamento é realizado analisando as medições de campo espalhado. Nesse contexto, um método de inversão iterativo é frequentemente necessário para minimizar uma função objetivo construída pelo erro entre o campo espalhado medido e o campo espalhado calculado. Nesta tese são apresentados diferentes algoritmos eficientes baseados no método do gradiente conjugado (conjugate gradient method, CGM) para resolver problemas de espalhamento inverso em duas e três dimensões. Este método consiste na solução do problema de espalhamento direto e o cálculo da direção do gradiente da função objetivo dentro de cada iteração. Dependendo da aproximação do gradiente, o CGM pode ser classificado em duas abordagens principais: métodos linearizados e não linearizados. Cada cálculo do problema direto pode ter um alto custo computacional. Assim, para evitar o esforço computacional os solucionadores diretos são implementados eficientemente usando métodos iterativos para resolver sistemas lineares combinados com algoritmos FFT (fast Fourier transform). Os métodos de inversão propostos nesta tese são baseados em abordagens de gradiente conjugado. Inicialmente é proposta uma implementação eficiente do CGM não linearizado, o qual não requer o cálculo da matriz inversa. Essa abordagem reduz o custo computacional e os requisitos de armazenamento do algoritmo de reconstrução em comparação com a versão original. Em seguida, também é proposto um CGM baseado em subespaços (subspace-based CGM, S-CGM), que é baseado no CGM linearizado e no conceito de subespaços. Por fim, propomos um fast CGM para resolver problemas de espalhamento inverso com baixa não linearidade. Várias simulações numéricas foram realizadas para validar os algoritmos de inversão propostos. No caso 2D, os métodos foram testados com dados sintéticos e experimentais. Os resultados da reconstrução apresentam eficácia na estimativa da localização, forma do objeto e valores de permissividade dos espalhadores. Além disso, simulações numéricas usando dados sintéticos mostram eficácia para reconstrução de imagens em problemas tridimensionais. | pt_BR |
dc.description.resumo | The electromagnetic inverse scattering problem in microwave imaging aims to recover the dielectric properties, location, size, and shape of scatterers inside an inaccessible domain. This is an important field of electromagnetic wave applications, such as biomedical imaging, buried object detection, oil-gas exploration, and nondestructive evaluation. The imaging is performed by analyzing the scattered field measurements, which are usually cast into an optimization problem. In this context, an iterative inversion method is often required to minimize a cost function constructed by the mismatch of the measured scattered field and the computed one. In this thesis, different efficient algorithms based on the conjugate gradient method (CGM) to solve two- and three-dimensional inverse scattering problems are presented. The inversion CGM requires the solution of the forward scattering problem and the calculation of the gradient direction of the cost function at each iteration step. Depending on the gradient approximation, the CGM can be classified into two main approaches, linearized and nonlinearized methods. Each computation of the forward problem can be very time consuming. To avoid the computational burden, the forward solvers are efficiently implemented by using iterative methods to solve systems of simultaneous equations combined with FFT (fast Fourier transform) algorithms. The inversion methods proposed in this thesis are based on conjugate gradient approaches. Firstly, an efficient implementation of the nonlinearized CGM is proposed, which does not require calculating the inverse matrix. Such an approach reduces the computational cost and storage requirement of the reconstruction algorithm compared to the original one. Secondly, a subspace-based CGM (S-CGM) is also proposed, which is based on the linearized CGM and the concept of subspaces. Lastly, we propose a fast CGM to solve inverse scattering problems with a low degree of nonlinearity. Several numerical simulations have been carried out to validate the proposed inversion algorithms. In the 2D case, the methods are tested against both synthetic and experimental data. The reconstruction results show effectiveness in estimating the location, object shape, and permittivity values of the scatterers. In addition, numerical simulations using synthetic data show effectiveness for image reconstruction in three-dimensional problems. | pt_BR |
dc.description.sponsorship | CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico | pt_BR |
dc.language | eng | pt_BR |
dc.publisher | Universidade Federal de Minas Gerais | pt_BR |
dc.publisher.country | Brasil | pt_BR |
dc.publisher.department | ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA | pt_BR |
dc.publisher.program | Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica | pt_BR |
dc.publisher.initials | UFMG | pt_BR |
dc.rights | Acesso Aberto | pt_BR |
dc.subject | Integral equations | pt_BR |
dc.subject | Microwave imaging | pt_BR |
dc.subject | Conjugate gradient methods | pt_BR |
dc.subject | Inverse scattering problems | pt_BR |
dc.subject | Image reconstruction | pt_BR |
dc.subject.other | Engenharia elétrica | pt_BR |
dc.subject.other | Equações integrais | pt_BR |
dc.subject.other | Microondas | pt_BR |
dc.subject.other | Ondas eletromagnéticas - Espalhamento | pt_BR |
dc.title | Efficient inverse scattering algorithms based on conjugate gradient approaches for microwave imaging | pt_BR |
dc.title.alternative | Algoritmos eficientes de espalhamento inverso baseados em abordagens de gradiente conjugado para imageamento em micro-ondas | pt_BR |
dc.type | Tese | pt_BR |
dc.identifier.orcid | http://orcid.org/0000-0002-5431-6823 | pt_BR |
Appears in Collections: | Teses de Doutorado |
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