【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，自動(dòng)化工程學(xué)院謝永樂(lè)教授“電磁與聲波測(cè)量”技術(shù)團(tuán)隊(duì)在電磁逆散射成像(EISI)領(lǐng)域再次取得重要進(jìn)展。團(tuán)隊(duì)針對(duì)傳統(tǒng)計(jì)算電磁學(xué)方法計(jì)算復(fù)雜、深度學(xué)習(xí)方法缺乏物理可解釋性與泛化能力弱等挑戰(zhàn)，創(chuàng)新性地提出一種聯(lián)合多物理約束的核化深度展開網(wǎng)絡(luò)(Kernelized Deep Unfolding Network with Joint Physical Constraints)。該框架將深度學(xué)習(xí)的強(qiáng)大特征提取能力與物理模型的嚴(yán)謹(jǐn)性深度融合，為解決電磁逆散射這一高度非線性的不適定問(wèn)題提供了全新、更高效且更可靠、可解釋的解決方案。
 

　　目前，相關(guān)研究成果已發(fā)表于“電磁波與天線”領(lǐng)域的旗艦期刊 IEEE Transactions on Antennas and Propagation，論文題為《Kernelized Deep Unfolding Network with Joint Physical Constraints for Electromagnetic Inverse Scattering Imaging》。該成果由2023級(jí)博士研究生張庭森與李西峰副教授共同完成，共同作者包括畢東杰、彭禮彪、謝永樂(lè)；此項(xiàng)研究還得到“電磁與聲波測(cè)量”團(tuán)隊(duì)主持的國(guó)家自然科學(xué)基金“國(guó)家重大科研儀器研制”項(xiàng)目(62027803)的資助。
 

　　電磁逆散射成像技術(shù)旨在通過(guò)分析目標(biāo)散射的電磁波數(shù)據(jù)，“無(wú)創(chuàng)”地重建其內(nèi)部的介電常數(shù)等物理屬性分布，在醫(yī)療成像、工業(yè)無(wú)損檢測(cè)、地球物理勘探等關(guān)鍵領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。然而，該技術(shù)長(zhǎng)期面臨兩大瓶頸：傳統(tǒng)迭代優(yōu)化算法(如對(duì)比源反演法CSI、子空間優(yōu)化法SOM)計(jì)算成本高、對(duì)初值敏感且易陷入局部最優(yōu)；而新興的純數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)深度學(xué)習(xí)方法則常被詬病為“黑箱”，其泛化能力有限，且重建結(jié)果可能違背基本的電磁物理定律。
 

　　為突破這些瓶頸，本團(tuán)隊(duì)提出的新方法新網(wǎng)絡(luò)極大地提升了模型的表達(dá)能力與泛化性能。
 

　　團(tuán)隊(duì)通過(guò)兩組嚴(yán)苛的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了新方法的性能，并將其與子空間優(yōu)化方法(SOM)、核子空間優(yōu)化方法(KSOM)以及SOM-Net深度展開網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了全面對(duì)比。
 

　　1. 數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn)：使用MNIST手寫數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)集，并疊加20dB高斯白噪聲。反演結(jié)果如圖1所示(定量表征數(shù)據(jù)見表1)，過(guò)程的物理量如圖2、圖3所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法的SSIM指標(biāo)平均比SOTA的SOM-Net提升14.84%，PSNR平均提升17.95%。且過(guò)程物理量嚴(yán)格遵循Lippmann-Schwinger方程，避免了物理偽解。
 

　　2. 實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)：使用團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制的毫米波成像系統(tǒng)(如圖4所示)，對(duì)高對(duì)比度的金屬字母、剪刀等真實(shí)物體進(jìn)行成像。反演結(jié)果如圖5所示(定量表征數(shù)據(jù)見表2)，過(guò)程的物理量如圖6、圖7所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所提方法的SSIM指標(biāo)平均比SOM-Net提升9.66%，比PSNR平均提升20.81%。與傳統(tǒng)SOM方法相比，SSIM和PSNR的平均提升幅度更是分別達(dá)到了驚人的75.82%和39.11%。
 

　　綜上所述，該研究提出的聯(lián)合多物理約束的核化深度展開網(wǎng)絡(luò)，成功地在保持物理模型可解釋性的同時(shí)，利用深度學(xué)習(xí)的優(yōu)勢(shì)，顯著提升了電磁逆散射成像的精度、魯棒性和泛化能力，為解決此類復(fù)雜的逆問(wèn)題開辟了新的道路。其重建的感應(yīng)電流和散射場(chǎng)與實(shí)際值高度吻合，均方根誤差極低。這證明了聯(lián)合物理約束策略的有效性，確保了重建結(jié)果不僅在圖像上更清晰，在物理意義上也更準(zhǔn)確。