[論文レビュー] Accurate Indoor Radio Frequency Imaging using a New Extended Rytov Approximation for Lossy Media

Amartansh Dubey, Samruddhi Deshmukh+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2021

Microwave Imaging and Scattering Analysis参考文献 42被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、損失があり高誘電率な媒質に対して従来のリトフ近似を補正する拡張型位相なしリトフ近似（xPRA-LM）を提案する。2.4 GHz WiFi ノードからの位相なし測定値のみを用いて、屋内RFイメージングを高精度に実現する。20λまでのサイズの物体について、相対誘電率が最大77+j7の高精度な形状および誘電率再構成が可能であり、シミュレーションおよび実験の両方で先行手法を著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

Imaging objects with high relative permittivity and large electrical size remains a challenging problem in the field of inverse scattering. In this work we present a phaseless inverse scattering method that can accurately image and reconstruct objects even with these attributes. The reconstruction accuracy obtained under these conditions has not been achieved previously and can therefore open up the area to technologically important applications such as indoor Radio Frequency (RF) and microwave imaging. The novelty of the approach is that it utilizes a high frequency approximation for waves passing through lossy media to provide corrections to the conventional Rytov approximation (RA). We refer to this technique as the Extended Phaseless Rytov Approximation for Low Loss Media (xPRA-LM). Simulation as well as experimental results are provided for indoor RF imaging using phaseless measurements from 2.4 GHz based WiFi nodes. We demonstrate that the approach provides accurate reconstruction of an object up to relative permittivities of $15+j1.5$ for object sizes greater than $20 λ$ ($λ$ is wavelength inside object). Even at higher relative permittivities of up to $ε_r=77+j 7$, object shape reconstruction remains accurate, however the reconstruction amplitude is less accurate. These results have not been obtained before and can be utilized to achieve the potential of RF and microwave imaging in applications such as indoor RF imaging.

研究の動機と目的

• 損失があり高誘電率な媒質における大がかりで高誘電率な散乱体の正確で形式的な逆散乱手法の不足を解消すること。
• εr > 3 および電気的サイズが λ₀ を超える場合に失敗する既存の線形および非線形手法の限界を克服すること。
• 信号の位相同期を必要とせず、位相なし測定値のみを用いて実用的な屋内RFイメージングを可能にすること。
• 複雑な媒質における形状およびコントラスト関数の虚数部（損失および誘電率に関連）の両方の正確な再構成を達成すること。
• 2.4 GHz WiFi ノードを用いた実世界の屋内環境において、本手法の妥当性と正確性を実証すること。

提案手法

• 損失のある媒質における高周波数近似を組み込むことで、従来のリトフ近似に対する補正を導出する。
• 損失があり高誘電率な散乱体を通過する波の伝搬をモデル化するため、損失が小さい媒質向けに拡張型位相なしリトフ近似（xPRA-LM）を定式化する。
• 位相同期を不要にするために、2.4 GHz WiFi ノードからの位相なし測定値（RSSI）を入力として使用する。
• 散乱場を高次数のレイトル展開でモデル化し、1次レイトルが支配的で、高次レイトルは小さな摂動として扱う。
• 複素振幅比に対数変換を適用して位相情報を抽出し、散乱場が主に1次レイトルに支配されていると近似する。
• 実部と虚部を組み合わせてコントラスト関数を再構成し、特に材料同定に有効な虚数部の正確な推定に特に注力する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 相対誘電率が77+j7で、電気的サイズが20λを超える物体を、位相なし逆散乱法で正確に再構成できるか？
• RQ2 xPRA-LM 法は、損失があり高誘電率な媒質において、従来のリトフ近似よりも高い正確性を提供するか？
• RQ3 実際の屋内環境において、商用WiFiノードからの位相なしRSSI測定値のみを用いて、正確な形状および誘電率再構成が達成できるか？
• RQ4 従来の手法は、強い散乱体に対してなぜコントラスト関数の実部を再構成できないのか？また、虚数部は材料同定に効果的に利用できるか？
• RQ5 実用的イメージングシナリオにおいて、損失のある媒質に対する拡張リトフ近似の理論的および実用的有効範囲は何か？

主な発見

• xPRA-LM 法は、相対誘電率が15+j1.5で電気的サイズが20λを超える物体について、正確な形状再構成を達成する。
• 誘電率が77+j7にまで上昇しても、形状再構成は正確に保たれるが、振幅再構成の精度はやや低下する。
• コントラスト関数の虚数部の推定が正確であり、強い散乱体に対しても材料同定が可能である。
• 強い散乱体（例：PSNR < 10 dB、SSIM < 0.8）ではコントラスト関数の実部再構成が著しく劣悪であり、従来のRAの限界を確認する。
• 2.4 GHz WiFi ノードを用いたシミュレーションおよび実験的屋内RFイメージングにおいて、本手法は既存の位相なし手法を上回る性能を発揮する。
• 理論的分析により、高次レイトルが散乱場に与える寄与は無視できるほど小さく、xPRA-LM モデルにおける1次レイトルの優位性が裏付けられる。