Aljunaibi, Ali (2026) Enhanced Microwave Imaging: a Novel Inversion Algorithm Based on the Born Approximation. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

PDF (Thesis) ALI_ALJUNIBI_Thesis_Green_Cover_with_Signature.pdf - Submitted Version Restricted to Repository staff only until 17 August 2027. Download (18MB)

Arabic Abstract

التصوير بالميكروويف )MI( هو تقنية غير جراحية تستخدم الموجات الكهرومغناطيسية المتشتتة لاكتشاف وتوصيف تباينات السماحية الكهربائية داخل المادة قيد الاختبار .)MUT( وعلى الرغم من أن التصوير المعتمد على تقريب بورن )BA( ي ُعد جذاب ً ا نظر ً ا لبساطته وكفاءته الحاسوبية، فإن صلاحيته تقتصر على الأجسام ضعيفة التشتت. تبحث هذه الأطروحة في نطاق صلاحية تقريب بورن التقليدي، وتقترح إطار ً ا لتقريب بورن مدعوم ً ا بنظرية الوسط الفعّ ال )EMT( من أجل تصوير السماحية الكهربائية للمواد عالية التباين. أول ًا، تم تنفيذ صياغة تقريب بورن باستخدام نموذج تشتت عكسي قائم على دالة غرين، مع تنظيم Tikhonov واختيار معامل التنظيم باستخدام منحنى .L كما است ُخدمت محاكاة الموجة الكاملة ببرنامج CST لدراسة تأثير حجم المادة قيد الاختبار والتباين العازل، مما أدى إلى إنشاء خريطة صلاحية تجمع بين الحجم والسماحية الكهربائية وتحدد المنطقة التي يظل فيها الاسترجاع المعتمد على تقريب بورن موثوقًا. وتُظهر النتائج أن أداء تقريب بورن التقليدي يتدهور بشكل ملحوظ في المواد عالية التباين. ولتجاوز هذا القيد، نُمذجت المادة قيد الاختبار كبنية دورية تُمثل بسماحية كهربائية فعّ الة باستخدام نظرية الوسط الفعّ ال. ثم است ُخدم تقريب بورن لاسترجاع السماحية الكهربائية الفعّ الة، واست ُعيدت السماحية الكهربائية الذاتية من خلال العلاقة العكسية لنظرية الوسط الفعّ ال. وتُظهر النتائج العددية دقة في استرجاع المواد عالية التباين، مع خطا ٔ أقصى في السماحية الكهربائية الذاتية يبلغ حوالي %7. كما أُجري تحقق تجريبي باستخدام منصة مصنّعة ذات لوحين متوازيين، وسبعة مجسات أحادية القطب، ومحلل شبكة متجه، واستراتيجية قياس قائمة على التناظر الدوراني. وتؤكد النتائج المقاسة جدوى النهج المقترح، حيث بقي خطا ٔ إعادة البناء داخل العينة أقل من حوالي %8. كما لوحظت بعض الشوائب )artifacts( بالقرب من حدود العينة والمناطق المحيطة بها نتيجة تأثيرات التشتت والانعكاسات الخارجية. بوجه عام، تُظهر هذه الأطروحة أن دمج نظرية الوسط الفعّ ال م عتقريب بورن يوفر طريقة عملية لتوسيع نطاق التصوير الخطي السريع بالميكروويف نحو توصيف المواد عالية التباين، مع الحفاظ على البساطة الحاسوبية والعملية التجريبية.

English Abstract

Microwave imaging (MI) is a non-invasive technique that uses scattered electromagnetic waves to detect and characterize dielectric contrasts inside a material under test (MUT). Although Born approximation (BA)-based imaging is attractive because of its simplicity and computational efficiency, its validity is limited to weakly scattering objects. This thesis investigates the validity range of conventional BA and proposes an Effective Medium Theory (EMT)-assisted BA framework for high-contrast permittivity imaging. First, the BA formulation is implemented using a Green’s-function-based in verse scattering model with Tikhonov regularization and L-curve parameter selection. Full-wave CST simulations are used to study the effects of MUT size and dielectric contrast, leading to a size–permittivity validity map that identifies the region where BA-based reconstruction remains reliable. The results show that conventional BA de grades significantly for high-contrast materials. To extend BA beyond this limitation, the MUT is modeled as a periodic structure represented by an effective permittivity using EMT. The BA is then used to reconstruct the effective permittivity, and the intrinsic permittivity is recovered through the inverse EMT relation. Numerical results demonstrate accurate reconstruction of high-contrast materials, with a maximum intrinsic-permittivity error of approximately 7%. Experimental validation is performed using an in-house fabricated parallel-plate setup with seven monopole probes, a vector network analyzer, and a rotation-symmetry-based measurement strategy. The measured results confirm the feasibility of the proposed approach, with reconstruction errors in side the sample remaining below approximately 8%. Minor artifacts are observed near the sample boundaries and surrounding regions due to scattering effects and external reflections. Overall, this thesis shows that integrating EMT with BA provides a practical way to extend fast linear microwave imaging toward high-contrast material characterization while maintaining computational simplicity and experimental practicality.

Item Type:	Thesis (Masters)
Subjects:	Research > Engineering Electrical
Department:	College of Engineering and Physics > Electrical Engineering
Thesis Advisor:	Hussein Attia,
Thesis Committee Members:	Abdulrahman Alqadami, Yazan Al-alem,
Depositing User:	ALI ALJUNAIBI
Date Deposited:	18 Aug 2026 12:51
Last Modified:	18 Aug 2026 12:51
URI:	https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/144716