[论文解读] Accurate Indoor Radio Frequency Imaging using a New Extended Rytov Approximation for Lossy Media

Amartansh Dubey, Samruddhi Deshmukh+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 7, 2021

Microwave Imaging and Scattering Analysis参考文献 42被引用 4

一句话总结

本文提出了一种扩展的无相位Rytov近似（xPRA-LM），用于校正损耗性、高介电常数介质中的传统Rytov近似，从而实现仅使用2.4 GHz WiFi节点的无相位测量即可进行高精度的室内射频成像。该方法在模拟与实验中均显著优于以往方法，能够对尺寸达20λ、相对介电常数高达77+j7的物体实现高保真度的形状与介电常数重建。

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.

研究动机与目标

• 解决在损耗性介质中，针对大尺寸、高介电常数散射体缺乏准确、形式化的逆散射方法的问题。
• 克服现有线性和非线性技术在εr > 3且电尺寸 > λ₀时失效的局限性。
• 通过仅使用无相位测量，避免信号同步需求，实现实际的室内射频成像。
• 实现对复杂介质中形状以及对比函数虚部（与损耗和介电常数相关）的精确重建。
• 在真实室内环境中，利用2.4 GHz WiFi节点验证该方法的有效性与准确性。

提出的方法

• 通过引入损耗性介质中高频波的近似，推导对传统Rytov近似的修正项。
• 提出适用于低损耗介质的扩展无相位Rytov近似（xPRA-LM），用于建模波在损耗性、高介电常数散射体中的传播。
• 以2.4 GHz WiFi节点的无相位测量（RSSI）作为输入，消除对相位同步的需求。
• 采用高阶射线展开模型来描述散射场，其中一阶射线占主导地位，高阶射线作为微小扰动处理。
• 对复振幅比进行对数变换以提取相位信息，近似认为散射场主要由一阶射线主导。
• 通过结合实部与虚部重建对比函数，特别强调对虚部的精确估计，以实现材料识别。

实验结果

研究问题

• RQ1 无相位逆散射方法能否准确重建相对介电常数高达77+j7且电尺寸超过20λ的物体？
• RQ2 在损耗性、高介电常数介质中，xPRA-LM方法是否相比传统Rytov近似具有更高的精度？
• RQ3 在真实室内环境中，仅使用商用WiFi节点的无相位RSSI测量，能否实现对形状与介电常数的精确重建？
• RQ4 为何传统方法在强散射体上难以重建对比函数的实部？虚部是否可有效用于材料识别？
• RQ5 在实际成像场景中，扩展Rytov近似对损耗性介质的理论与实际有效范围为何？

主要发现

• xPRA-LM方法在相对介电常数高达15+j1.5且电尺寸超过20λ时，仍能实现精确的形状重建。
• 对于更高介电常数（最高达77+j7），形状重建保持精确，尽管幅度重建精度较低。
• 该方法能对对比函数虚部进行精确估计，即使在强散射体情况下也能实现材料识别。
• 对于强散射体，对比函数实部的重建效果较差（例如，PSNR < 10 dB，SSIM < 0.8），证实了传统RA的局限性。
• 在使用2.4 GHz WiFi节点的模拟与实验性室内射频成像中，该方法优于现有无相位技术。
• 理论分析表明，高阶射线对散射场的贡献可忽略不计，验证了xPRA-LM模型中一阶射线的主导地位。