[논문 리뷰] Accurate Indoor Radio Frequency Imaging using a New Extended Rytov Approximation for Lossy Media

Amartansh Dubey, Samruddhi Deshmukh외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 10. 07.

Microwave Imaging and Scattering Analysis참고 문헌 42인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 손실이 있고 고유전율을 가진 매질을 위한 전통적인 Rytov 근사법을 보정하는 확장된 비단일상태 Rytov 근사법(xPRA-LM)을 제안한다. 이는 2.4 GHz WiFi 노드에서의 단일상태 측정값만을 사용하여 정확한 실내 RF 영상 촬영을 가능하게 한다. 이 방법은 크기가 최대 20λ 이하인 물체에 대해 고유전율이 77+j7에 이르는 경우에도 높은 정밀도의 형상 및 유전율 재구성 성능을 보이며, 시뮬레이션과 실험 모두에서 이전 방법들보다 뛰어난 성능을 발휘한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 손실이 있고 고유전율을 가진 매질에서 대규모 고유전율 산란체에 대해 정확하고 공식적인 역산산산법이 부족한 문제를 해결한다.
• εr > 3 이며 전기적 크기가 λ₀를 초과하는 경우 실패하는 기존 선형 및 비선형 기법의 한계를 극복한다.
• 신호 동기화가 필요 없도록 단일상태 측정값만을 사용하여 실용적인 실내 RF 영상 촬영을 가능하게 한다.
• 복잡한 매질에서 형상과 대비 함수의 허수 부분(손실 및 유전율과 관련)을 모두 정확하게 재구성한다.
• 2.4 GHz WiFi 노드를 사용한 실제 실내 환경에서의 실험을 통해 이 방법의 타당성과 정확성을 입증한다.

제안 방법

• 손실이 있는 매질에서의 고주파 근사를 고려하여 전통적인 Rytov 근사법에 수정항을 도입한다.
• 손실이 있고 고유전율을 가진 산란체를 통과하는 파동 전파를 모델링하기 위해 손실이 적은 매질을 위한 확장된 비단일상태 Rytov 근사법(xPRA-LM)을 수립한다.
• 신호의 위상 동기화가 필요 없도록 2.4 GHz WiFi 노드에서의 단일상태 측정값(RSSI)을 입력으로 사용한다.
• 산란장을 고차수 광선 전개 방식으로 모델링하며, 제1차 광선이 지배적이고 고차수 광선은 소규모 교란으로 간주한다.
• 복소 진폭 비율에 로그 변환을 적용하여 위상 정보를 추출하고, 산란장을 제1차 광선에 의해 지배된다고 근사한다.
• 실수부와 허수부를 조합하여 대비 함수를 재구성하며, 특히 재료 식별에 효과적인 허수 성분의 정확한 추정에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상대 유전율이 최대 77+j7이고 전기적 크기가 20λ를 초과하는 물체를 비단일상태 역산산산법으로 정확하게 재구성할 수 있는가?
• RQ2 손실이 있고 고유전율을 가진 매질에서 xPRA-LM 방법이 기존 Rytov 근사법보다 더 높은 정확도를 제공하는가?
• RQ3 실제 실내 환경에서 상용 WiFi 노드의 단일상태 RSSI 측정값만을 사용하여 정확한 형상 및 유전율 재구성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 기존 방법들이 강한 산란체에 대해 대비 함수의 실수부를 재구성하지 못하는 이유는 무엇이며, 허수부는 재료 식별에 효과적으로 활용될 수 있는가?
• RQ5 실제 영상 촬영 시나리오에서 손실이 있는 매질에 대한 확장된 Rytov 근사법의 이론적 및 실용적 유효 범위는 무엇인가?

주요 결과

• xPRA-LM 방법은 상대 유전율이 15+j1.5 이하이고 전기적 크기가 20λ를 초과하는 물체에 대해 정확한 형상 재구성을 달성한다.
• 유전율이 77+j7에 이르는 높은 수준에서도 형상 재구성이 정확하게 유지되지만, 진폭 재구성은 상대적으로 정확도가 낮다.
• 대비 함수의 허수 성분에 대한 정확한 추정이 가능하여 강한 산란체에 대해서도 재료 식별이 가능하다.
• 강한 산란체에 대해서는 대비 함수의 실수 성분 재구성이 빈약하며(예: PSNR < 10 dB, SSIM < 0.8), 이는 기존 RA 방법의 한계를 확인한다.
• 2.4 GHz WiFi 노드를 사용한 시뮬레이션과 실험적 실내 RF 영상 촬영에서 기존 비단일상태 기법보다 우수한 성능을 발휘한다.
• 이론적 분석을 통해 고차수 광선이 산란장에 미치는 기여가 무시할 만큼 작음을 확인하여 xPRA-LM 모델에서 제1차 광선의 지배적 역할을 검증한다.