[논문 리뷰] Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) THz Image 3D Superresolution

Tak Ming Wong, Matthias Kahl외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 15.

Terahertz technology and applications참고 문헌 10인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 깊이(z) 및 횡방향(xy) 차원에서 diffraction 한계를 초월하는 초해상도를 달성하기 위해 이단계 FMCW THz 영상 기법을 제안한다. 먼저, sinc-Envelope 재구성 기법을 통해 깊이 해상도를 13.3배 향상시켜 91 µm로 개선하고, 그 다음 2차원 망각 없는 디컨볼루션을 통해 횡방향 해상도를 2.29배 향상시켜 346.2 µm로 개선하여 반투명 재료의 미세한 질감을 노출시킨다.

ABSTRACT

In this paper, a novel method to enhance Frequency Modulated Continuous Wave (FMCW) THz imaging resolution beyond its diffraction limit in both depth (z) and lateral (xy) range is proposed. Our method comprises two stages. Firstly, we reconstruct the signal in z-direction using a sinc-envelope, yielding a significant improvement in depth resolution of a factor of 13.3 to 91${\mu}m$. The resulting high resolution depth position estimate is used to deduce an accurate reflection intensity THz image. This image is fed in the second stage of our method, a 2D blind deconvolution method adopted to THz image superresolution. The experiment shows that the proposed method enhances the lateral resolution by a factor of 2.29 to 346.2${\mu}m$. Furthermore, our method exposes fine textural structures embedded in semitransparent material.

연구 동기 및 목표

• FMCW THz 영상에서 diffraction 한계를 극복하여 깊이 및 횡방향 해상도를 향상시키기 위해.
• 미세한 질감을 포함한 반투명 재료의 고정밀 3차원 영상 촬영을 가능하게 하기 위해.
• 깊이 신호 재구성과 횡방향 영상 초해상도를 조합한 이단계 프레임워크를 개발하기 위해.
• 기존 FMCW THz 영상의 한계를 초월하는 정량적 해상도 향상 달성하기 위해.

제안 방법

• 깊이 방향(z)에서 sinc-Envelope 기반 신호 재구성을 적용하여 깊이 해상도를 13.3배 향상시키기 위해.
• 고해상도 깊이 추정치를 이용해 횡방향 처리를 위한 정확한 반사 강도 영상 계산하기 위해.
• 재구성된 강도 영상을 THz 영상 초해상도에 특화된 2차원 망각 없는 디컨볼루션 알고리즘에 입력하기 위해.
• 망각 없는 디컨볼루션을 활용해 원래 해상도 한계를 초월한 미세한 횡방향 구조 복원하기 위해.
• 신호 무결성을 유지하면서 깊이 및 횡방향 해상도 향상을 순차적인 이단계 파이프라인으로 통합하기 위해.
• 재구성된 3차원 영상을 활용해 반투명 샘플 내 초분해능 수준의 질감 특징 노출하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 sinc-Envelope를 활용한 신호 재구성을 통해 FMCW THz 영상에서 초분해능 깊이 해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 THz 영상에서 망각 없는 디컨볼루션을 통해 횡방향 해상도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 제안된 이단계 방법이 반투명 재료 내에서 미세한 질감을 노출시킬 수 있는가?
• RQ4 이 프레임워크를 통해 깊이 및 횡방향 차원에서 달성 가능한 해상도 향상은 어느 정도인가?

주요 결과

• 깊이 해상도가 13.3배 향상되어 FWHM(Full Width at Half Maximum)가 91 µm에 도달하였다.
• 횡방향 해상도가 2.29배 향상되어 초해상도 처리 후 346.2 µm에 도달하였다.
• 이 방법은 반투명 재료 내에 임bed된 미세한 질감 구조를 성공적으로 해상할 수 있었다.
• sinc-Envelope 재구성과 2차원 망각 없는 디컨볼루션을 순차적으로 적용한 이단계 접근법은 깊이 및 횡방향 차원에서 일관된 초해상도를 달성하였다.
• 재구성된 영상가 고해상도를 유지하여 후속 디컨볼루션을 위한 정확한 강도 추정이 가능하였다.
• 이 방법은 diffraction 한계를 초월하는 고해상도 3차원 THz 영상 촬영의 실용적 가능성을 입증하였다.