Введение к работе
Актуальность проблемы. Проблема исследования ггренней структуры широкого класса объектов всегда двигалась как одна из основных в различных областях науки, :ники и медицины. При этом среди применяемых методов :контактной диагностики наибольшую информацию об шедуемом объекте дают томографические методы. Несмотря многообразие существующих подходов, предпринимаются пытки создания альтернативных методов томографии, гадающих новыми возможностями за счет более точного учета фектов взаимодействия излучения с веществом. В частности, юльзование микроволнового излучения позволяет проводить ігностику различных заболеваний на самой ранней стадии, :кольку при этом наибольший контраст испытывают именно жтрофизические параметры среды. Существуют и другие пасти применения микроволновой томографии.
Основная причина, препятствующая развитию кроволновой томографии, заключается в трудностях герпретации измеряемых искажений параметров излучения и его взаимодействии с неоднородными средами, следования показывают, что при прохождении кроволнового излучения оказываются существенными фекты многократного взаимодействия волн (рассеяние, глощение, дифракция и т.д.). В случае, когда характерные шеры неоднородностей соизмеримы с длинами волн тользуемого излучения, теория многократного взаимодействия :таточно сложна для описания процесса распространения гучения в исследуемой среде, что не дает возможности решить ратную задачу восстановления структуры неоднородной
5ДЫ.
Существующие подходы в своей основе используют здположение, что при взаимодействии со средой излучение не жет своих когерентных свойств. Это предположение можно ггать справедливым лишь при условии слабого іимодействия излучения со средой. В настоящее время
возникает интерес к исследованию структуры сред на осно частично когерентного и некогерентного излучения. Это вызва тем, что при сильном или многократном взаимодейств характеристики излучения претерпевают значительн изменения, и когерентность излучения существенно разрушает* В этом случае информационным параметром, характеризуют.] распределение неоднородностеи среды, является распределен интенсивности излучения.
Цель работы: исследование закономерност
распространения некогерентного излучения в неоднородні средах и развитие на этой основе методов томограф внутренней структуры этих сред.
Методы проведения исследования. При решен поставленных в работе задач использовались: статистичесв теория распространения волн в случайно-неоднородных среда? скалярном представлении; асимптотические мето, математической физики; преобразование Абеля и различные є обобщения, широко применяемые в задачах томографии; мего, вычисления интегралов с помощью теории функций комплекси переменной.
На защиту выносятся следующие положения:
-
Томография источников собственного излучения среды угловому распределению регистрируемого поля п отсутствии поглощения эффективно выполняется на оснс решения сформулированного интегрального уравнения свертках. В случае наличия произвольного постояннс поглощения в среде искомое распределение находится использованием предложенного интегрально преобразования, обобщающего преобразование Абеля.
-
Многоракурсные измерения углового распределен интенсивности некогерентного излучения атомарне водорода, возникающего при радиационных загрязненш позволяют картографировать пространственн распределение загрязнений. При однопозиционных углов) измерениях распределение нескольких локализована источников излучения получается с использовани предположения об осесимметричности каждого из них
дополнительной информации о расстояниях до их центров. Распространение некогерентного излучения в средах с неоднородным поглощением происходит преимущественно вдоль амплитудных траекторий, по которым экспоненциальное ослабление интенсивности излучения минимально. Искривление амплитудных траекторий описывается законом Снелля, в котором в качестве показателя преломления берется коэффициент линейного поглощения. При учете искривления амплитудных траекторий восстановление радиального профиля коэффициента линейного поглощения среды по измерениям зависимости ослабления излучения от углового разноса между источником и приемником получается с использованием преобразования Абеля.
Достоверность результатов работы обеспечивается іичєской непротиворечивостью результатов, согласием с щаментальными положениями теории распространения волн в днородных средах, сравнением полученных общих ^графических решений с известными частными решениями, веркой работоспособности методов с помощью ітационного численного моделирования.
Научная новизна. При выполнении работы получила ьнейшее развитие теория томографии неоднородных сред для чаев, когда используемое для зондирования излучение можно тать частично или полностью некогерентным.
Показано, что задача восстановления распределения очников собственного излучения среды может быть сведена к внению в свертках и эффективно решена с использованием эритма быстрого преобразования Фурье с регуляризацией. >рвые найдено решение задачи томографии при учете извольного постоянного фонового поглощения в среде гтространения. Это решение обобщает известные ранее гения, полученные Кормаком, что обеспечивает возможность менения в различных задачах томографии и терапии.
Предложен метод восстановления томограмм в случае опозиционного пассивного наблюдения за угловым пределением интенсивности источников собственного
излучения, не обладающих осевой симметрией, с использованш
дополнительной информации об относительш
пространственном расположении возможных центров излучена Таким путем на основе экспериментального исследован распределения излучения в полосе атомарного водород приходящего со стороны Сибирского химического комбина' выявлены два объекта, обладающих потенциальной опасності радиационного загрязнения. На основе обработки полученныг методами экспериментальных результатов зондирования еле кометы Галлея выявлено существенное отличие спект неоднородностей кометного вещества от закона Колмогорої Обухова, характерного для большинства развит] турбулентностей.
Впервые для описания характеристик некогерентно излучения, распространяющегося в неоднородной поглощающ среде, введено понятие амплитудной траектории как лині вдоль которой ослабление излучения минимально. Показано, ч искривление этой траектории описывается обобщенным законі Снелля, в котором вместо показателя преломления след} учитывать коэффициент линейного поглощения. Показано, ч при наличии сильного поглощения когерентность ВОЛ] разрушается, и для описания ее распространения также примені метод амплитудных траекторий. Для томографии поглощающ сред, вызывающих симметричное искривление амплитудні траекторий, найдено решение, основанное на интегральн преобразовании Абеля. Предложено обобщение этого метода д слабых возмущений симметрии амплитудных траекторий.
Научно-практическая значимость. Результа
диссертации позволяют понять физические процесс протекающие при распространении некогерентного излученш случайно-неоднородных средах и средах с поглощение Предложенные интегральные преобразования позволяї исследовать внутреннюю структуру сред, обладающих и обладающих осевой симметрией, в условиях сильного и слабе взаимодействия излучения со средой. Предложенные алгоритм могут быть использованы для пассивной и активной томограф патологий биологических объектов, для дистанционнс
троля и картографирования радиационных загрязнений, для дирования случайно-неоднородных сред и т.д. Развитый ;ход допускает дальнейшее расширение областей применения пложенных решений, в том числе для томографии сред, адающих нелинейными свойствами, для развития методов апии различных заболеваний и т.п.
Апробация работы. Материалы, вошедшие в сертационную работу, докладывались на следующих научных ференциях: III и IV симпозиумы "Оптика атмосферы и ана" (Томск, 1996, 1997 гг.), LII Научной сессия, посвященная о радио (Москва, 1997 г.), SPIE's International Symposium on ical Science, Engineering, and Instrumentation (San Diego, USA,
-
г.), XI Всероссийская школа-конференция по дифракции и пространению волн (Москва, 1998 г.), Научно-практическая ференция "Наука и образование на защите населения и ритории Томской области от чрезвычайных ситуаций" (Томск,
-
г.), International Symposium on Remote Sensing (Barcelona, in, 1998 г.), IV Всероссийский научно-технический семинар гергетика: экология, надежность, безопасность" (Томск, 1998), XVII и XXXVIII Международные научные студенческие ференции "Студент и научно-технический прогресс" івосибирск, 1999, 2000 гг.), III Международный симпозиум тверсия науки - международному сотрудничеству" ІБКОНВЕРС99) (Томск, 1999), XIX Всероссийская научная ференция "Распространение радиоволн". (Казань, 1999 г.), III российская научная конференция "Применение танционных радиофизических методов в исследованиях родной среды" (Муром, 1999 г.), VI Международная научно-ктическая конференция студентов, аспирантов и молодых ных "Современные техника и технологии" (Томск, 2000 г.).
Связь темы диссертации с плановыми работами. Тема оты тесно связана с научными исследованиями, проводимыми кафедре радиофизики ТГУ и в отделах радиофизики и иофизических методов контроля СФТИ по развитию танционных методов зондирования неоднородных сред. ор участвовал в выполнении гранта РФФИ № 97-02-16240 )7-1999 гг.) и грантов Минобразования № 97-12-5.2-3 (1998-
2000 гг.) и № 97-8.1-66 (1998-2000 гг.), в выполнен] госбюджетной НИР "ДИАКОНТ".
Публикации. По теме диссертации опубликовано : статьи и тезисов докладов на конференциях и симпозиумах.
Личный вклад автора. Основным соавтором большинст публикаций является научный руководитель - доктор физ.-мг наук, профессор В.П. Якубов. Автор принимал активное участ в постановке и обсуждении результатов всех опубликованні работ, ему принадлежат найденные решения, резульгаї имитационного моделирования.
Структура и объем работы. Диссертация состоит введения, трех глав, заключения. В работе содержится 185 лист машинописного текста, 34 рисунка, 1 таблица, списі литературы, насчитывающий 133 наименования.
