[论文解读] Computational ghost imaging versus imaging laser radar for 3D imaging

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

Random lasers and scattering media参考文献 23被引用 113

一句话总结

本文比较了脉冲计算鬼成像系统与脉冲泛光照明成像激光雷达在大气湍流条件下对粗糙表面目标进行三维远距离探测的性能。通过解析模型表明，当孔径和脉冲能量匹配时，两种系统在空间分辨率和饱和信噪比（SNR）方面表现相当，但在光子噪声受限的SNR条件下，激光雷达的性能优于鬼成像，优势因子等于目标上的空间分辨率单元数。鬼成像的主要优势出现在非对称配置中，例如发射端处于弱湍流而接收端处于强湍流，或在使用单像素探测器的多基地网络中。

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.

研究动机与目标

• 评估并比较计算鬼成像与成像激光雷达在三维远距离探测中的性能。
• 分析两种系统在大气湍流条件下的空间分辨率与信噪比（SNR）性能。
• 识别鬼成像相对于激光雷达具有优势的情境，特别是非对称配置或探测器技术受限的情况下。
• 评估探测器尺寸与孔径尺寸对分辨率与SNR权衡的影响。
• 确定压缩感知是否能够缓解基于相关性的鬼成像的SNR劣势。

提出的方法

• 采用脉冲式计算鬼成像系统，利用空间光调制器（SLM）生成结构化照明，并使用单像素桶探测器采集光强。
• 应用衍射理论计算每个脉冲的参考光强分布，从而无需物理参考光束。
• 采用泛光照明方法建模激光雷达，利用聚焦透镜与CCD阵列通过时间门控探测捕获三维图像。
• 应用统计光学与散斑统计模型，模拟完全发展状态的激光散斑及大气湍流下的目标回波。
• 推导考虑源到目标与目标到接收器路径中湍流影响的空间分辨率与SNR的解析表达式。
• 通过匹配两种系统的平均脉冲光子数（NT）与脉冲数（N），实现公平比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大气湍流条件下，计算鬼成像与成像激光雷达在空间分辨率方面如何比较？
• RQ2 在光子噪声受限与饱和条件下，两种系统的信噪比（SNR）性能如何？
• RQ3 在何种情况下鬼成像优于激光雷达，特别是关于湍流分布与系统配置方面？
• RQ4 空间分辨率单元数如何影响光子噪声受限状态下激光雷达相对于鬼成像的SNR优势？
• RQ5 压缩感知能否减少鬼成像所需的脉冲数，从而缓解其SNR劣势？

主要发现

• 当孔径与脉冲能量匹配时，两种系统在空间分辨率上表现相当，其中鬼成像的空间分辨率受限于源到目标路径中的湍流，而激光雷达则受限于目标到接收器路径中的湍流。
• 在光子噪声受限状态下，激光雷达的性能优于鬼成像，优势因子约等于目标上的空间分辨率单元数。
• 在高脉冲能量与高脉冲数条件下，两种系统均达到相同的SNR饱和值，表明在饱和状态下两者无长期性能优势。
• 鬼成像具有无限景深，而激光雷达在满足 k₀r²ℓ/(2z) ≫ 1 时会因离焦而限制其作用距离。
• 鬼成像的主要优势出现在非对称配置中，例如发射端处于弱湍流而接收端处于强湍流，或在使用单像素探测器的多基地网络中。
• 压缩感知技术可减少鬼成像所需的脉冲数，从而在实际应用中可能缓解其SNR劣势。