Near-Field and Far-Field Imaging by Hierarchical Wave Field Representations in k-Space

• Applicant: Professor Dr.-Ing. Thomas Eibert
• Subject Area: Electronic Semiconductors, Components and Circuits, Integrated Systems, Sensor Technology, Theoretical Electrical Engineering
• Term: from 2013 to 2017
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 239929539

• Final Report Year: 2017

Final Report Abstract

Durch die hierarchische Darstellung von elektromagnetischen Feldern im k-Raum lassen sich inverse Quell- und Streuprobleme effizient für nahezu beliebige Messkonfigurationen im Nah- und Fernfeld des Objekts lösen. Die k-Raum-Darstellung entspricht hierbei einer Entwicklung der Felder in Spektren ebener Wellen. Gegebenenfalls unter Vernachlässigung von Mehrfachinteraktionen am Streuobjekt, ergibt sich ein Zusammenhang zwischen räumlich verteilten, unabhängigen Punktquellen (Punktstreuern) und aufgenommenen Spektren in Form eines Fourier-Integrals. Durch mehrdimensionale inverse Fourier Transformation (IFT) lässt sich somit ein Bild der räumlichen Quell- oder Reflektivitätsverteilung berechnen, wobei die IFT durch hierarchische Disaggregation der k-Raum-Spektren effizient und ohne Interpolation auf ein kartesische Gitter berechnet werden kann. Die vorgestellten Verfahren, die auf vereinheitlichten neuartigen Formulierungen des Streuproblems beruhen, wurden für verschiedene Messkonfigurationen mit synthetischen und realen Messdaten getestet. Inverse Quellprobleme bzw. bistatische Streuprobleme mit Anregung durch eine einzelne einfallende ebene Welle lassen sich bei ungestörten Eingangsdaten mit einer Genauigkeit von besser als -70 dB mit Bezug auf die k-Raum-Spektren losen. Hierbei können die Messpunkte irregulär im Nahfeld verteilt sein, solange die exakte Position und Orientierung der Empfangssonde bekannt ist und die Nyquist-Bedingung für die Abtastung eingehalten wird. Die räumliche Verteilung der unabhängigen Quellen lässt sich in diesem Fall sehr präzise rekonstruieren. Für monostatische Streumessungen, bei denen sowohl Sender als auch Empfänger sich im Nahfeld des Objekts befinden, wird vom Modell der „strahlenden Reflektoren“ ausgegangen, wobei die unbekannten Streukoeffizienten im Sinne eines Quellproblems gelöst werden. Simulations- und Messdaten von monostatischen Nahfeldmessungen wurden für die Validierung dieses Modells erfasst. Im Falle relativ einfacher Geometrien ist es möglich, die Streuspektren im k-Raum mit einer Genauigkeit von etwa -50 dB zu bestimmen und ein präzises Bild der räumlichen Streuzentrenverteilung zu berechnen. Treten vermehrt Mehrfachinteraktionen am Streuobjekt auf oder werden die wesentlichen Streufelder durch den monostatischen Aufbau nicht mehr erfasst, ist die dem Modell zugrunde liegende Annahme unabhängiger strahlender Punktquellen nicht mehr erfüllt. In so einem Fall lässt sich das Streuspektrum nur noch recht ungenau bestimmen. Dennoch kann häufig ein räumliches Bild des Objekts berechnet werden, allerdings zunehmend mit Verzerrungen und überlagert von "Geisterbildern“. Ein vielversprechender Ansatz dieses Problem formal in Griff zu bekommen, besteht in der Betrachtung der vollen bistatischen Streumatrix, deren Hauptdiagonale den monostatischen Einträgen entspricht. Allerdings besteht an dieser Stelle noch ein erheblicher Forschungsbedarf, um Formulierungen und Implementierungen zu finden, die zu Algorithmen mit einem vernünftigen Rechenaufwand führen.

Publications

• “Elektromagnetische Nahfeld- und Fernfeld-Bildgebungsverfahren basierend auf hierarchischen Felddarstellungen,” Doctoral dissertation, Technical University of Munich, 2014
  G. Schnattinger
  
• “Monostatic radar cross section near-field far-field transformations by multilevel plane-wave decomposition,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 62, no. 8, pp. 4259–4268, Aug. 2014
  G. Schnattinger, R. A. M. Mauermayer, and T. F. Eibert
  
• “A finite element boundary element domain decomposition inverse scattering technique,” in International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Sep. 2015, pp. 985–988
  E. Kılıç, O. Neitz, and T. F. Eibert
  
• “Electromagnetic field transformations for measurements and simulations," Progress in Electromagnetics Research, vol. 151, pp. 127–150, 2015
  T. F. Eibert, E. Kilic, C. Lopez, R. A. M. Mauermayer, O. Neitz, and G. Schnattinger
  
• “Fourier based 3D ISAR near-field imaging and radar cross section transformation,” in International Conference on Electromagnetics in Advanced Applications (ICEAA), Sep. 2015, pp. 1198–1201
  O. Neitz and T. Eibert
  
• “Solution of 3D inverse scattering problems by combined inverse equivalent current and finite element methods,” Journal of Computational Physics, vol. 288, pp. 131 – 149, May 2015
  E. Kılıç, and T. F. Eibert
  
• “ISAR near-field imaging using monostatic-bistatic equivalence and plane-wave expansion,” in IEEE International Symposium on Antennas and Propagation (APSURSI), Jun. 2016, pp. 171–172
  O. Neitz and T. F. Eibert