[論文レビュー] Large-aperture computational single-sensor microwave imager using 1-bit programmable coding metasurface at single frequency

Dapeng Lao, Lianlin Li+3 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2017

Metamaterials and Metasurfaces Applications参考文献 25被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、1つの周波数で動作する1ビットプログラマブルコーディングメタサーフェスを用いた大口径・1センサーマイクロ波イメージング技術を提案する。列行方向のコーディングを活用することで、データ取得時間を短縮し、時間的・空間的分解能を向上させる。スパarsity正則化付き凸最適化問題を解くことで高分解能イメージングを実現し、従来のピクセル単位のコーディングシステムと同等の理論的回復保証を達成する。シミュレーションおよび実験により検証された。

ABSTRACT

The microwave imaging based on inverse scattering strategy holds important promising in the science, engineering, and military applications. Here we present a compressed-sensing (CS) inspired large- aperture computational single-sensor imager using 1-bit programmable coding metasurface for efficient microwave imaging, which is an instance of the coded aperture imaging system. However, unlike a conventional coded aperture imager where elements on random mask are manipulated in the pixel-wised manner, the controllable elements in the proposed scheme are encoded in a column-row-wised manner. As a consequence, this single-sensor imager has a reduced data-acquisition time with improved obtainable temporal and spatial resolutions. Besides, we demonstrate that the proposed computational single-shot imager has a theoretical guarantee on the successful recovery of a sparse or compressible object from its reduced measurements by solving a sparsity-regularized convex optimization problem, which is comparable to that by the conventional pixel-wise coded imaging system. The excellent performance of the proposed imager is validated by both numerical simulations and experiments for the high-resolution microwave imaging.

研究の動機と目的

• 1つのセンサを用いた計算効率が良く、大口径なマイクロ波イメージングシステムの開発を目的とする。
• 従来のコーディングアパーチャーイメージングと比較して、データ取得時間を短縮し、時間的・空間的分解能を向上させることを目的とする。
• 測定数を削減することで、スパースまたは圧縮可能な対象物の高分解能イメージングを可能とすることを目的とする。
• 圧縮センシングを用いたオブジェクト再構成の理論的回復保証を提供することを目的とする。
• 数値シミュレーションおよび実験結果を用いて、システムの性能を検証することを目的とする。

提案手法

• 本システムは、ピクセル単位ではなく列行方向にパターン化された1ビットプログラマブルコーディングメタサーフェスを採用する。
• コーディングパターンが入射マイクロ波の波面を変調し、多重化された測定信号を生成する。
• 圧縮センシング（CS）にインspiredしたフレームワークを用いて、測定数を削減した状態からオブジェクトを再構成する。
• 再構成問題は、安定かつ正確な回復を保証するため、スパarsity正則化付き凸最適化問題として定式化される。
• 本システムは1周波数で動作するため、効率的かつ集光性の高いイメージングが可能である。
• 理論的分析により、特定の条件下で測定行列が制限等長性性質（RIP）を満たすことが確認され、成功した回復が保証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのセンサを用いたマイクロ波イメージングシステムは、測定データを削減することで高分解能を達成できるか？
• RQ2 列行方向のコーディングは、ピクセル単位のコーディングと比較して、イメージング効率および分解能においてどのように異なるか？
• RQ3 本システムを用いてスパースオブジェクトを再構成する際の理論的回復保証は何か？
• RQ4 本手法は、測定数を減らした状態で、従来のピクセル単位のコーディングイメージングと同等の性能を達成できるか？
• RQ5 実環境の実験条件下で、本システムの性能はどのように現れるか？

主な発見

• 提案されたイメージャーは、列行方向のコーディングにより、顕著に短縮されたデータ取得時間と高分解能マイクロ波イメージングを実現した。
• 従来の1センサーマイクロ波コーディングアパーチャーイメージャーと比較して、時間的・空間的分解能が向上した。
• 理論的分析により、測定行列が制限等長性性質（RIP）を満たすことが確認され、安定的かつ頑健なオブジェクト再構成が保証された。
• 数値的シミュレーションおよび実験により、測定数を削減した状態でも、スパースまたは圧縮可能なオブジェクトを正確に再構成できることが検証された。
• 再構成品質の観点から、本システムの性能は、従来のピクセル単位のコーディングイメージングシステムと同等であることが示された。
• 本システムは1周波数で効果的に動作し、大口径構成において集光性があり、効率的なイメージングが可能である。