Uzaktan algılama ve görüntüleme teknikleri arasında son dönemde gelişim gösteren mikrodalga ve milimetre-dalga görüntüleme teknikleriyle elde edilen görüntünün kalitesinin iyileştirilmesi ve geleneksel görüntülemede kullanılan zararlı radyasyonun ortadan kaldırılması sağlanabilmektedir. Bu sayede, özellikle tıbbi görüntüleme gibi detaylı ve çok sayıda görüntüleme ihtiyacı olan alanlarda kullanım potansiyeli oldukça yüksektir. Mikrodalga ve milimetre dalga görüntüleme sistemleri, görüntülenmek istenen cismin bulunduğu hedef bölgeden saçılan elektromanyetik dalgaları kullanarak ilgili hedefin elektriksel parametrelerini ve bu parametrelerin konumsal bilgisini ters saçılım problemi üzerinden elde ederek hedefin görüntüsünü çıkarmayı hedeflemektedir. Ters problemin çözümünde kullanılan yöntemler nicel (doğrudan elektriksel parametrelerin değerini tayin eden) ve nitel (elektriksel parametre bulmaksızın sadece saçıcının şeklini bulmaya odaklanan metotlar) olarak sınıflandırılabilir. Bu yaklaşımların kullandığı çözümlemeler aranan bölgenin boyutuna- istenilen çıktı parametrelerine (elektriksel değerler ve/veya saçıcı şekli) – gereken ön ölçümlerinin miktarına bağlı olarak uzun sürebilmektedir. Bu proje kapsamında çözümlerin hızlandırılması ve iyileştirilmesi için ön ölçümlerde yeni kalibrasyon tekniklerinin uygulanması, farklı kullanım amaçlarına uygun olarak yeni algoritmaların geliştirilmesi planlanmaktadır. İlk olarak nokta saçıcı kalibrasyonu ile holografik görüntüleme metodundaki kalibrasyon aşamasının hızlandırılması için gerçekte yapılacak ön ölçümler yerine simülasyon üzerinde kalibrasyon uygulanması amaçlanmaktadır. Projenin ikinci kısmında ise simülasyon üzerinde bu işlemin daha da hızlandırılabilmesi amacıyla küresel çoklu kutup açılımı metodu (Multi-pole expansion) kullanılması ve elde edilen sonuçların daha önceden elde edilmiş ölçüm verileriyle karşılaştırılması planlanmaktadır.

Bu projede mikrodalga (0.5 GHz - 20 GHz) ve milimetre dalga (20 GHz - 40 GHz) görüntüleme yöntemleri beraber kullanılarak diş ve kemik dokusundaki (sert dokulardaki) hasarları non-invaziv şekilde tespit edebilen bir ölçüm sistemi için kod-anten-sistem tasarımı yapılacaktır. Literatürdeki çalışmalarla kıyaslandığında projenin özgün değeri şu iki noktadaki farklılıklara dayanmaktadır: (i) mikrodalga-milimetre dalga görüntüleme tekniklerinin beraber kullanılması, (ii) mikrodalga-milimetre dalga görüntüleme literatüründe hakkında görece daha az çalışma olan sert doku üzerine yoğunlaşılması.

Kanama, beyin dokularında ölümcül sağlık sorunlarına yol açabilen ve beyin inmeleri içerisinde sıklıkla görülebilen bir tıbbi durumdur. Bu nedenle, kanamaların boyutunun ve şeklinin sürekli olarak izlenmesi önem arz etmektedir ve küresel ölçekte yoğun bir şekilde araştırılmaktadır. Kanamanın durumunun izlenmesi, insan kafasının iyonlaştırıcı olmayan elektromanyetik radyasyon ile aydınlatılması ve iki farklı zaman diliminde saçılan elektromanyetik radyasyonun ölçülmesi ile yapılabilmektedir. Mikrodalga frekanslarda yapılan bu ölçümler ile hem beyin dokusunda önceden var olan kanamalı bölgelerin büyüyüp küçülmesinin tespit edilmesi hem de yeni kanamaların konumları belirlenbilmesi hedeflenmektedir. Yapılan ölçümlerden araştırılan bölgenin görüntüsünü elde etmek için iki farklı yaklaşım kullanılabilir. Bu yaklaşımlardan biri olan nitel görüntüleme algoritmaları son yıllarda nicel algoritmalara göre daha fazla araştırılmaktadır. Nitel görüntüleme algoritmalarında amaç incelenen bölgenin elektriksel parametrelerini bulmak yerine bu parametreler ile ilişkili olan bir indikatör fonksiyonu oluşturmaktır. Bu yaklaşımla, iteratif olmayan, genellikle problemi doğrusal hale getiren ve dolayısıyla nicel algoritmalara kıyasla çok daha hızlı sonuç üreten yöntemler geliştirilebilmektedir. Bu çalışmada indikatör fonksiyonunu oluşturmak için nicel görüntüleme algoritmalarından zaman-tersi ayrışma yönteminin (decomposition of time-reversal (DORT) method) kullanımı incelenecektir. Bu amaçla, gerçekçi bir insan kafası fantomu üzerinde yapılan sayısal simülasyonlar oluşturulacak ve kanamaların takibinin DORT yöntemi ile başarılı bir şekilde yapılma olasılığı araştırılacaktır. Sonuç olarak ise, beyin kanaması gibi hayati öneme sahip durumları daha iyi anlamak ve hastaların durumlarını sürekli olarak takip etmeye olanak sağlayacak bir yöntem geliştirmek yolunda önemli bir çıktı elde edileceği öngörülmektedir.

Deprem gibi afetler sonrası kapalı-ulaşılamayan alanlarda hızlı tarama yapılması için çeşitli teknolojilerin geliştirilmesi son derece gereklidir. Bu bağlamda enkaz altında canlı tespiti oldukça önemli güncel bir araştırma konusu olup bu konuda çeşitli frekans bantlarında çalışan radarlar ile pek çok çalışma yapılmaktadır. Ekibimiz mikrodalga görüntüleme (MG) teknikleri – donanım tasarımı konusunda bugüne kadar literatüre pek çok katkı yapmıştır. MG ile radar arasındaki temel fark MG’de yakın mesafeden hedefin detaylı elektriksel profili elde edinmek istenmesine karşın radarda daha çok hedefin ortalama büyüklüğünün yerinin daha uzak mesafelerden tespit edilmesinin hedefleniyor olmasıdır. Bu bağlamda bu projedeki temel amacımız 6 GHz’e kadar çalışan bir taşınabilir mikrodalga alıcı-verici sistemi tasarlayıp bu sistemde kullanacağımız MG görüntüleme yöntemleri ile elde var olan radar algoritmalarından daha başarılı sonuçlar elde edilmesidir. Başlangıç olarak buradaki temel hedeflerimiz şöyle sıralanabilir: (i) daha küçük hedeflerin daha uzak mesafeden daha doğru konumla bulunması, (ii) uygulayacağımız yapay zeka algoritmaları ile hedef hakkında sahip olunacak bilgi miktarının arttırılması, (iii) sistemin taşınabilir halde olup sahada uygulanmak için müsait olması.

Mikrodalga ve milimetre görüntüleme sistemleri, incelenmek istenen hedeften saçılan elektromanyetik dalgaları ölçerek, ilgili cismin elektriksel parametrelerini ortaya çıkarmayı hedefleyen bir teknolojidir. Elde edilen bu parametrelerin anlamlı hale getirilmesi ile de ilgili cisim hakkında tespit yapılabilmesi (kanserli doku tespiti, gömülü/saklı cisim tespiti, kalite analizi, vb) mümkün olabilmektedir. Bu proje kapsamında ise cevizlerin kalitesinin tespiti için bir mikrodalga ve milimetre görüntüleme sistemi tasarlanacaktır. İnsanların beslenme planında çoğunlukla yer alan cevizlerin gıda güvenliğinin tespiti sağlık açısından önem arz etmektedir. Ayrıca, insan tespitine göre nispeten daha hızlı, daha doğru ve hasarsız bir sistem ortaya çıkacağı için ekonomik olarak da büyük bir katkı vermesi öngörülmektedir. Tasarlanacak ölçüm sistemi ile cevizlerin içinin görüntüsü cevizi kırma/ayıklama yapmadan elde edilecektir. Bu amaçla iki ayrı yol izlenecektir. İlk önce, çok antenli bir ölçüm sistemi için FPGA tabanlı bir anahtarlama (switch) devresi PCB’de tasarlanacaktır. Daha sonra tasarlanan anahtarlama devresi ve vektör ağ analizöründen (vector network analyzer, VNA) oluşan ölçüm sistemi ile saçılma parametreler (S-parameters) datası ölçülecektir. Aynı zamanda, çok antenli elektronik taramaya alternatif olması için, iki antenli bir mekanik tarama sistemi de tasarlanacak ve bu mekanik tarama sistemi ile de S-parametre ölçümleri yapılacaktır. Burada her iki sistemin de kontrolü merkezi bir bilgisayardan sağlanacak ölçümler sonucu elde edilen S-parametreleri bu ana bilgisayara kayıt edilecektir. Daha sonra ise bu veriler doğrudan mikrodalga ve milimetre dalga tomografi ile işlenecektir. Böylece, her iki sistemden de cevizin içinin görüntüsü elde edilecektir. Daha sonra ise elektromanyetik ölçümü yapılan bu cevizler, gıda mühendisliği açısından kalite analizine tabi tutulacaktır. Bu kalite analizi sonuçlarına göre, tomografi sonuçları doğrudan ve yapay zeka temelli yaklaşımlar kullanılarak ilişkilendirilecektir. Böylece, cevize fiziksel bir müdahalede bulunmadan, kalitesi, hızlı ve doğru bir şekilde bulunabilecektir. Ayrıca, saçılma parametreleri datası (tomografi uygulanmadan) ile kalite analizi sonuçları arasındaki ilişkiyi yapay zeka kullanılarak ortaya çıkarmak için ön çalışma yapılacaktır.

Mikrodalga görüntüleme sistemleri, görüntülenmek istenilen bölgedeki hedeflerden saçılan elektromanyetik alanları kullanarak ilgili bölgenin elektriksel parametrelerini veya bu parametreler ile ilgili pozisyon bilgilerini ortaya çıkarmayı hedeflemektedir. Mikrodalga görüntüleme teknikleri günümüzde hasarlı/zararlı biyomedikal dokuların tespiti, gömülü cisimlerin tespiti, duvar arkasındaki objelerin tespiti ve maddelerin kusurlu özelliklerinin kontrolü gibi alanlarda kullanılmaktadır. Son yıllara kadar bu uygulamalar X-ray tabanlı görüntüleme sistemleri ile gerçeklenmekteydiler. Fakat günümüzde mikrodalga görüntüleme sistemlerine ilgi araştırmacılar arasında gittikçe artmaktadır. Bu ilginin başlıca sebepleri aşağıdaki gibi özetlenebilir: • İyonize olmayan ışıma olmadığı için daha güvenli (sık ölçümler alınabilir) • Görüntülenmek istenilen bölgeye fiziksek müdahale yapılmasına gerek yok • Ucuz ve gelişmiş bir teknoloji (özellikle düşük GHz frekanslarında) • Medikal uygulamalarda erken tespit için ideal bir teknoloji Mikrodalga görüntüleme sistemlerinin temel araçlarından biri olan ters problem çözüm algoritmaları; saçıcıların pozisyon bilgilerinin yanında elektriksel özelliklerini elde etmeye yarayan nicel algoritmalar ve saçıcıların sadece pozisyon bilgilerini bulmayı hedefleyen nitel algortimalar olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Nitel algoritmalar, günümüzde araştırmacılar tarafından hızlı sonuç vermeleri sebebiyle çoğunlukla tercih edilmektedirler. Bu proje kapsamında ve yürüttüğümüz tez süresince hasarsız muayene uygulamaları (duvar arkasının veya içinin incelenmesi, hareketli cisimlerin takibini yapılması, biyomedikal uygulamalar, vb.) için yeni nitel görüntüleme yöntemleri geliştirilecek ve/veya mevcut olan nitel görüntüleme yöntemlerini iyileştirmek adına geliştirmeler yapılacaktır. Geliştirilen bu algoritmalar gerçek ölçümler yapılarak test edilecektir ve elde edilen sonuçlar yüksek prestijli dergilerde yayınlanacaktır. Bu kapsamda proje başlangıcında nitel görüntüleme yöntemlerinden kesilmiş tekil değer ayrıştırması yöntemi (truncated singular value decomposition), doğrusal örnekleme yöntemi (linear sampling method) ve yakın alan dik-örnekleme yöntemi (near field orthogonality sampling method) ele alınacaktır.

Mikrodalga görüntüleme, son yıllarda geliştirilmiş bir görüntüleme yöntemi olup henüz kullanımda olan X-ray bazlı görüntüleme tekniklerinin bir alternatifi olabileceği düşünülen bir görüntüleme yaklaşımıdır. Görüntülemenin en çok ihtiyaç duyulduğu alanlardan biri olan Hasarsız Muayene (Non-Destructive Testing) sahasında etkili ve hızlı mikrodalga görüntüleme teknikleri geliştirilmesi de bu kapsamda bilim adamlarının son yıllarda çokça çalışmakta olduğu bir konudur. Aşağıda verilen literatür taramasından da anlaşılabileceği gibi mikrodalgalarla ile Hasarsız Muayene ve nitel mikrodalga görüntülüme yöntemleri konuları oldukça güncel olarak çalışılmaktadır. Lakin mühendislik ekseninde çalışma yürüten Hesaplamalı elektromanyetik grupları genellikle nicel yöntemler üzerinde durmaktadır. Bu bağlamda proje kapsamında, nitel görüntülüme yöntemleri konusunda geçmiş yıllarda İTÜ ERG (İTÜ Electromagnetic Research Group) ile yaptığım çalışmalardan elde edilen sonuçların genişletilmesi planlanmakta ve Hasarsız Muayene sahasında kullanılabilecek özgün ve gerçekçi önsel bilgi beklentileri olan nitel mikrodalga görüntülüme yöntemlerinin geliştirilmesi amaçlanmaktadır. Proje kapsamında çalışılacak başlıca iki nitel görüntüleme yöntemi: doğrusal örnekleme algoritması (linear sampling method, LSM) ve faktörizasyon algoritmasıdır (factorization method, FM).