[論文レビュー] Computational ghost imaging versus imaging laser radar for 3D imaging

Nicholas D. Hardy, Jeffrey H. Shapiro|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2012

Random lasers and scattering media参考文献 23被引用数 113

ひとこと要約

本稿は、大気乱流下での粗い表面を有する標的に対する3次元リモートセンシングにおいて、パルス式計算的ゴーストイメージングシステムとパルス式フラッドライト照明方式のレーザーレーダーを比較している。解析的モデルを用いて、開口部とパルスエネルギーが一致する場合、両システムは同等の空間分解能と飽和信号対雑音比（SNR）を達成するが、ショットノイズ制限下のSNRにおいては、レーザーレーダーが標的上の空間分解能セル数に等しい係数でゴーストイメージングを大きく上回ることを示している。ゴーストイメージングの主な利点は、送信側が弱い乱流、受信側が強い乱流にあるバイステート構成、または単一ピクセル検出器を用いたマルチステートネットワークにおいて顕著になる。

ABSTRACT

Ghost imaging has been receiving increasing interest for possible use as a remote-sensing system. There has been little comparison, however, between ghost imaging and the imaging laser radars with which it would be competing. Toward that end, this paper presents a performance comparison between a pulsed, computational ghost imager and a pulsed, floodlight-illumination imaging laser radar. Both are considered for range-resolving (3D) imaging of a collection of rough-surfaced objects at standoff ranges in the presence of atmospheric turbulence. Their spatial resolutions and signal-to-noise ratios are evaluated as functions of the system parameters, and these results are used to assess each system's performance trade-offs. Scenarios in which a reflective ghost-imaging system has advantages over a laser radar are identified.

研究の動機と目的

• 計算的ゴーストイメージングとイメージングレーザーレーダーの3次元リモートセンシングにおける性能を評価・比較すること。
• 両システムの空間分解能と信号対雑音比（SNR）を大気乱流下で分析すること。
• 特にバイステート構成または限られた検出器技術下において、ゴーストイメージングがレーザーレーダーを上回る状況を同定すること。
• 検出器および開口部のサイズが分解能とSNRのトレードオフに与える影響を評価すること。
• 圧縮センシングが相関ベースのゴーストイメージングのSNRの不利要因を軽減できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 空間光調制素子（SLM）を用いて構造化照明を生成し、単一ピクセルのバケツ検出器を用いて強度を取得するパルス式計算的ゴーストイメージング設定を採用する。
• 回折理論を用いて各パルスごとの基準強度パターンを計算し、物理的基準ビームの必要性を排除する。
• 焦点レンズとCCDアレイを用いたフラッドライト照明方式を採用し、時間ゲート検出により3次元画像を取得するレーザーレーダーをモデル化する。
• 統計的光学およびスパグル統計を用いて、完全に発達したレーザースパグルと大気乱流下での標的反射をモデル化する。
• 乱流が送信者から標的、および標的にから受信者への経路に及ぼす影響を考慮した、空間分解能とSNRの解析的式を導出する。
• 両システム間の公平な比較のため、パルスあたりの平均光子数（NT）とパルス数（N）を一致させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 計算的ゴーストイメージングとイメージングレーザーレーダーは、大気乱流下で空間分解能においてどのように比較されるか？
• RQ2 ショットノイズ制限下および飽和状態における各システムの信号対雑音比（SNR）性能はどのようになるか？
• RQ3 どのような状況でゴーストイメージングがレーザーレーダーを上回るか、特に乱流の分布とシステム構成に関して。
• RQ4 ショットノイズ制限下において、標的上の空間分解能セル数が、ゴーストイメージングに対するレーザーレーダーのSNR優位性にどのように影響するか？
• RQ5 圧縮センシングは、ゴーストイメージングに必要なパルス数を減らすことができ、その結果としてSNRの不利要因を軽減できるか？

主な発見

• 開口部とパルスエネルギーが一致する場合、両システムは同等の空間分解能を達成する。ゴーストイメージングでは送信者から標的への経路の乱流が分解能を制限し、レーザーレーダーでは標的から受信者への経路の乱流が分解能を制限する。
• ショットノイズ制限下では、レーザーレーダーはゴーストイメージングを標的上の空間分解能セル数にほぼ等しい係数で上回る。
• 高パワーパルスと多数のパルスにおいて、両システムは同じSNRに飽和し、長期的にはどちらにも優位性がないことを示す。
• ゴーストイメージングは無限の焦点深度を持つが、レーザーレーダーはk0r2ℓ/2z ≫ 1のときデフォーカスを受けるため、距離性能が制限される。
• ゴーストイメージングの主な利点は、送信側が弱い乱流、受信側が強い乱流にあるバイステート構成、または単一ピクセル検出器を用いたマルチステートネットワークにおいて顕著になる。
• 圧縮センシング技術を用いることで、ゴーストイメージングに必要なパルス数を減らすことができ、実用的応用におけるSNRの不利要因を軽減できる可能性がある。