[논문 리뷰] Large-aperture computational single-sensor microwave imager using 1-bit programmable coding metasurface at single frequency

Dapeng Lao, Lianlin Li외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 11.

Metamaterials and Metasurfaces Applications참고 문헌 25인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 단일 주파수에서 1비트 프로그래머블 코딩 메타표면을 사용하여 대형 개구구경, 단일 센서 마이크로파 이미징기를 제안한다. 열-행 방식의 코딩을 통해 데이터 수집 시간을 단축하고 시간 해상도 및 공간 해상도를 향상시킨다. 희박성 정규화된 볼록 최적화 문제를 해결하여 고해상도 이미징을 실현하며, 기존의 픽셀 단위 코딩 시스템과 유사한 이론적 복원 보장을 확보한다. 시뮬레이션과 실험을 통해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 단일 센서를 사용하여 계산 효율성이 높고 대형 개구구경 마이크로파 이미징 시스템을 개발한다.
• 기존의 코딩 어퍼처 이미징 기술과 비교해 데이터 수집 시간을 단축하고 시간 해상도 및 공간 해상도를 향상시킨다.
• 감소된 측정값을 사용하여 희박하거나 압축 가능한 물체의 고해상도 이미징을 가능하게 한다.
• 압축 감지 기반으로 물체 재구성에 대한 이론적 복원 보장을 제공한다.
• 수치 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 시스템 성능을 검증한다.

제안 방법

• 시스템은 픽셀 단위가 아닌 열-행 방식의 패턴으로 코딩된 1비트 프로그래머블 코딩 메타표면을 사용한다.
• 코딩 패턴은 입사하는 마이크로파 파면을 조절하여 다중화된 측정 신호를 생성한다.
• 감소된 측정값으로부터 물체를 재구성하기 위해 압축 감지(CS) 기반 프레임워크를 사용한다.
• 안정적이고 정확한 복원을 보장하기 위해 재구성 문제를 희박성 정규화된 볼록 최적화 문제로 공식화한다.
• 시스템은 단일 주파수에서 작동하여 효율적이고 집중된 이미징이 가능하다.
• 이론적 분석을 통해 특정 조건 하에서 측정 행렬이 제한 이sovolumetric 성질(RIP)을 만족함을 확인하였으며, 이는 성공적인 복원을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 센서 마이크로파 이미징 시스템이 감소된 데이터 수집 시간으로 고해상도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 열-행 방식의 코딩이 픽셀 단위 코딩에 비해 이미징 효율성과 해상도 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ3 이 시스템을 사용하여 희박한 물체를 복원할 때 이론적 복원 보장은 무엇인가?
• RQ4 감소된 측정값으로 기존의 픽셀 단위 코딩 이미징 기술과 유사한 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ5 실제 실험 조건에서 시스템의 성능은 어떠한가?

주요 결과

• 제안된 이미저는 열-행 방식의 코딩 덕분에 데이터 수집 시간을 크게 단축시키면서도 고해상도 마이크로파 이미징을 달성한다.
• 기존의 단일 센서 코딩 어퍼처 이미저와 비교해 시간 해상도 및 공간 해상도가 향상됨을 입증하였다.
• 이론적 분석을 통해 측정 행렬이 제한 이sovolumetric 성질(RIP)을 만족함을 확인하였으며, 이는 안정적이고 강건한 물체 복원을 보장한다.
• 수치 시뮬레이션과 실험 결과를 통해 감소된 측정값으로도 희박하거나 압축 가능한 물체를 정확하게 재구성할 수 있음을 검증하였다.
• 재구성 품질 측면에서 기존의 픽셀 단위 코딩 이미징 시스템과 비교해 성능이 유사함을 확인하였다.
• 시스템은 단일 주파수에서 효과적으로 작동하여 대형 개구구경 구성에서 집중적이고 효율적인 이미징이 가능하다.