[논문 리뷰] Computational ghost imaging versus imaging laser radar for 3D imaging

Nicholas D. Hardy, Jeffrey H. Shapiro|arXiv (Cornell University)|2012. 12. 13.

Random lasers and scattering media참고 문헌 23인용 수 113

한 줄 요약

이 논문은 대기 흐려짐 하에서 거친 표면을 가진 목표물에 대한 3차원 원거리 감지에 대해 펄스형 계산 기반 고스트 이미징 시스템과 펄스형 플러드라이트-일조 이미징 레이저 레이더를 비교한다. 분석 모델을 사용하여, 둘 다 개구부와 펄스 에너지가 동일할 경우 동일한 공간 해상도와 포화된 신호 대 잡음비(SNR)를 달성하지만, 광자 잡음 한계에서 레이저 레이더는 목표물의 공간 해상도 셀 수에 해당하는 요소만큼 고스트 이미징을 뛰어넘는다. 고스트 이미징의 핵심적 이점은 투사자가 약한 흐려짐에 있고 수신자가 강한 흐려짐에 있을 때의 비동심 구조에서 또는 단일 피크셀 검출기를 사용하는 다중심 구조 네트워크에서 나타난다.

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.

연구 동기 및 목표

• 계산 기반 고스트 이미징과 이미징 레이저 레이더의 3차원 원거리 감지 성능을 평가하고 비교하는 것.
• 두 시스템에 대해 대기 흐려짐 하에서 공간 해상도와 신호 대 잡음비(SNR)를 분석하는 것.
• 특히 비동심 구조 또는 제한된 검출기 기술 하에서 고스트 이미징이 레이저 레이더를 능가하는 상황을 특정하는 것.
• 검출기 크기와 개구부 크기가 해상도와 SNR 상충 관계에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 압축 감지 기법이 상관 기반 고스트 이미징의 SNR 열세를 보완할 수 있는지 판단하는 것.

제안 방법

• 공간 조절 장치(SLM)를 사용해 구조화된 조명을 생성하고 단일 피크셀 버킷 검출기를 사용해 강도를 수집하는 펄스형 계산 기반 고스트 이미징 설정을 사용한다.
• 회절 이론을 적용해 각 펄스에 대한 기준 강도 패턴을 계산함으로써 물리적 기준 빛의 필요성을 제거한다.
• 집중 렌즈와 CCD 어레이를 사용해 시간 게이팅 검출을 통해 3차원 영상을 캡처하는 플러드라이트-일조 방식의 레이저 레이더를 모델링한다.
• 통계 광학과 스페클 통계를 적용해 완전히 발달한 레이저 스페클과 대기 흐려짐 하에서의 목표물 반사 신호를 모델링한다.
• 흐려짐이 소스에서 목표물로와 목표물에서 수신기로 가는 경로에 모두 영향을 미칠 수 있도록 고려한 공간 해상도와 SNR에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 두 시스템 간의 공정한 비교를 위해 평균 펄스당 광자 수(NT)와 펄스 수(N)를 동일하게 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대기 흐려짐 하에서 계산 기반 고스트 이미징과 이미징 레이저 레이더의 공간 해상도는 어떻게 비교되는가?
• RQ2 광자 잡음 한계 조건과 포화 조건에서 각 시스템의 신호 대 잡음비(SNR) 성능은 어떠한가?
• RQ3 어떤 상황에서 고스트 이미징이 레이저 레이더를 능가하는가? 특히 흐려짐 분포와 시스템 구성에서의 차이를 고려하여.
• RQ4 광자 잡음 한계 영역에서 목표물의 공간 해상도 셀 수가 고스트 이미징 대비 레이저 레이더의 SNR 우수성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 압축 감지 기법은 고스트 이미징에 필요한 펄스 수를 줄일 수 있으며, 이는 그로 인한 SNR 열세를 완화시킬 수 있는가?

주요 결과

• 두 시스템이 개구부와 펄스 에너지가 동일할 경우 동일한 공간 해상도를 달성하며, 고스트 이미징의 경우 해상도는 소스에서 목표물로 가는 경로의 흐려짐에 의해 제한되고, 레이저 레이더의 경우 목표물에서 수신기로 가는 경로의 흐려짐에 의해 제한된다.
• 광자 잡음 한계 영역에서 레이저 레이더는 고스트 이미징을 목표물의 공간 해상도 셀 수에 해당하는 요소만큼 뛰어넘는다.
• 고에너지 펄스와 많은 수의 펄스를 사용할 경우 두 시스템 모두 동일한 포화 SNR에 도달하므로, 포화 상태에서는 어느 한 시스템도 장기적으로 우위를 점하지 못한다.
• 고스트 이미징은 무한한 초점 깊이를 가지지만, 레이저 레이더는 k0r2ℓ/2z ≫ 1일 경우 초점이 흐려져 범위 성능이 제한된다.
• 고스트 이미징의 주요 이점은 투사자가 약한 흐려짐에 있고 수신자가 강한 흐려짐에 있을 때의 비동심 구조에서 또는 단일 피크셀 검출기를 사용하는 다중심 구조 네트워크에서 나타난다.
• 압축 감지 기법은 고스트 이미징에 필요한 펄스 수를 줄일 수 있으며, 이는 실용적 응용에서 그로 인한 SNR 열세를 완화시킬 수 있다.