Reconstructing the Derma Layer Thickness from the Electromagnetic Wave Reflection Coefficient
DOI:
https://doi.org/10.24160/1993-6982-2018-2-135-139Keywords:
Debye model, electromagnetic wave, reflection coefficient, inverse problem, diagnosticsAbstract
The need to determine the internal structure of an investigated medium and to determine the indicators characterizing its states and properties is often faced in carrying out various kinds of diagnostics, e.g., the one aimed at reconstructing the profile of the investigated object. The inverse electrodynamic problem consists in determining the geometrical and electrodynamic parameters of the studied dielectric medium from the characteristics of scattered electromagnetic field. The article considers the inverse problem of reconstructing the layer thickness from the coefficient characterizing the reflection of electromagnetic wave from the derma biological layer. Media having a layered structure form a special class. In this case, the profile reconstruction problem boils down to estimating the number of layers and their parameters, namely, their thicknesses and dielectric constants. The formulated inverse problem is solved using the smoothing functional minimization method, which is based on the algorithm for minimizing the generalized discrepancy between the reflection coefficient frequency dependence and its theoretical model. The reflection coefficient frequency dependence in the microwave band from 1 to 5 GHz was obtained from the results of solving the direct problem by superposing random fluctuations simulating the errors of real experimental measurements. Further development and elaboration of mathematical and numerical methods for solving the inverse problems with the use of more sophisticated models is one of important avenues in studying layered media.
References
2. Авдоченко Б.И. и др. Восстановление диэлектрической проницаемости слоистой среды по частотной зависимости коэффициента отражения методом минимизации регуляризирующего функционала // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. Томск: Томский гос. ун-т систем управления и радиоэлектроники. 2007. Т. 1. С. 5—9.
3. Алексин С.Г., Лебедев С.Г., Дробахин О.О. Восстановление профиля диэлектрической проницаемости слоистых структур с использованием метода Гельфранда–Левитана–Марченко // Радиофизика, информатика, управление. 2009. № 2 (21). С. 5—11.
4. Бреховских Л.М. Волны в слоистых средах. М.: Наука, 1973.
5. Хилькевич В.В. Использование нейронной сети для восстановления профилей диэлектрической проницаемости // Радиотехнические тетради. 2000. № 21. С. 76—78.
6. Алехнович В.И., Зайцев К.И., Карасик В.Е. Восстановление профиля диэлектрической проницаемости среды с помощью терагерцовой спектроскопии // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Серия «Естественные науки». 2013. № 2. С. 50—66.
7. Zaytsev K.I. е. а. Accuracy of Sample Material Parameters Reconstruction Using Terahertz Pulsed Spectroscopy // J. Appl. Phys. 2014. V. 115 (19). P. 193105.
8. Reid C. Spectroscopic Methods for Medical Diagnosis at Terahertz Wavelengths // PhD thesis. London, 2009. P. 194.
9. Авдоченко Б.И. и др. Восстановление диэлектрической проницаемости слоистой среды по частотной зависимости коэффициента отражения методом минимизации сглаживающего функционала // Доклады ТУСУРа. 2007. № 1 (5). С. 5—9.
10. Кальщиков А.А., Новикова Е.В., Штыков В.В. Расчет коэффициента отражения кожи человека // Ра- диоэлектроника, электротехника и энергетика: Материалы ХХ Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов. М.: Изд. дом МЭИ, 2014.
11. Гусев Ю.А. Основы диэлектрической спектроскопии. Казань: Изд-во Казанского гос. ун-та, 2008.
12. Физиология человека. М.: Мир, 1996.
13. Баскаков С.И. Радиотехнические цепи с распределенными параметрами. М.: Высшая школа, 1980.
14. Баскаков С.И. Электродинамика и распространение радиоволн. М.: Книжный дом Либроком, 2012.
---
Для цитирования: Новикова Е.В. Восстановление толщины слоя дермы по коэффициенту отражения электромагнитной волны // Вестник МЭИ. 2018. № 2. С. 135—139. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-135-139.
#
1. Grinev A.Yu., Temchenko V.S., Zaykin A.E. Teoretiko-eksperimental'noe Opredelenie Parametrov Sloistykh Sred s Uchetom Prostranstvenno-vremennoy Impul'snoy Kharakteristiki Priemo-peredayushchey Antenny. SVCH-tekhnika i Telekommunikatsionnye Tekhnologii: Materialy 15 Mezhdunar. Krymskoy Konf. Sevastopol': Veber, 2005:375—376. (in Russian).
2. Avdochenko B.I. i dr. Vosstanovlenie Dielektricheskoy Pronitsaemosti Sloistoy Sredy po Chastotnoy Zavisimosti Koeffitsienta Otrazheniya Metodom Minimizatsii Regulyariziruyushchego Funktsionala. Doklady Tomskogo Gosudarstvennogo Universiteta Sistem Upravleniya i Radioelektroniki. Tomsk: Tomskiy Gos. Un-t Sistem Upravleniya i Radioelektroniki. 2007;1:5—9. (in Russian).
3. Aleksin S.G., Lebedev S.G., Drobakhin O.O. Vosstanovlenie Profilya Dielektricheskoy Pronitsaemosti Sloistykh Struktur s Ispol'zovaniem Metoda Gel'franda– Levitana–Marchenko. Radiofizika, Informatika, Upravle- nie. 2009;2 (21):5—11. (in Russian).
4. Brekhovskikh L.M. Volny v Sloistykh Sredakh. M.: Nauka, 1973. (in Russian).
5. Khil'kevich V.V. Ispol'zovanie Neyronnoy Seti dlya Vosstanovleniya Profiley Dielektricheskoy Pronitsaemosti. Radiotekhnicheskie Tetradi. 2000;21:76—78. (in Russian).
6. Alekhnovich V.I., Zaytsev K.I., Karasik V.E. Vosstanovlenie Profilya Dielektricheskoy Pronitsaemosti Sredy s Pomoshch'yu Teragertsovoy Spektroskopii. Vestnik MGTU im. N.E. Baumana. Seriya «Estestvennye nauki». 2013;2:50—66. (in Russian).
7. Zaytsev K.I. e. a. Accuracy of Sample Material Parameters Reconstruction Using Terahertz Pulsed Spectroscopy. J. Appl. Phys. 2014;115 (19):193105.
8. Reid C. Spectroscopic Methods for Medical Diagnosis at Terahertz Wavelengths. PhD thesis. London, 2009. P. 194.
9. Avdochenko B.I. i dr. Vosstanovlenie Dielektricheskoy Pronitsaemosti Sloistoy Sredy po Chastotnoy Zavisimosti Koeffitsienta Otrazheniya Metodom Minimizatsii Sglazhivayushchego Funktsionala. Doklady TUSURa. 2007;1 (5):5—9. (in Russian).
10. Kal'shchikov A.A., Novikova E.V., Shtykov V.V. Raschet Koeffitsienta Otrazheniya Kozhi Cheloveka. Radioelektronika, Elektrotekhnika i Energetika: Materialy KHKH Mezhdunar. Nauch.-tekhn. Konf. Studentov i Aspirantov. M.: Izd. Dom MPEI, 2014. (in Russian).
11. Gusev Yu.A. Osnovy Dielektricheskoy Spektroskopii. Kazan': Izd-vo Kazanskogo Gos. Un-ta, 2008. (in Russian).
12. Fiziologiya Cheloveka. M.: Mir, 1996. (in Russian).
13. Baskakov S.I. Radiotekhnicheskie Tsepi s Raspredelennymi Parametrami. M.: Vysshaya Shkola, 1980. (in Russian).
14. Baskakov S.I. Elektrodinamika i Rasprostranenie Radiovoln. M.: Knizhnyy Dom Librokom, 2012. (in Russian).
---
For citation: Novikova E.V. Reconstructing the Derma Layer Thickness from the Electromagnetic Wave Reflection Coefficient.
MPEI Vestnik. 2018;2:135—139. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-2-135-139.
