[论文解读] Decoupling Spatio-Temporal Dynamics: Microvibration Imaging Using Coherent Detection Ghost Imaging Lidar

Shuang Liu, Jinquan Qi+3 more|Figshare|Feb 27, 2026

Advanced Optical Sensing Technologies被引用 0

一句话总结

本文提出一种 Coherent Detection-Ghost Imaging (CD-GI) 激光雷达，通过频率通道自校准解耦空间与微多普勒动力学，实现对扩展目标的全场微振动成像。

ABSTRACT

Imaging the full-field microvibration of extended targets remains a formidable challenge for conventional remote sensing. Traditional array-based sensors are often severely constrained by data throughput and sensitivity limits when scaling to high spatial resolutions, while point-scanning interferometric systems lack the instantaneous full-field capability required to capture transient, spatially coupled vibration modes. To overcome these limitations, we propose a Coherent Detection-Ghost Imaging (CD-GI) framework that synergizes the spatial multiplexing capability of single-pixel imaging with the high-dimensional sensitivity of coherent detection. We establish a comprehensive mathematical model that describes the coupling mechanism of the target's spatial distribution and temporal micro-dynamics within a 1D bucket detector signal. To resolve the resulting inverse problem, we develop a frequency-channel self-calibration scheme. This approach effectively decouples the micro-Doppler signatures from spatial speckle patterns without requiring prior knowledge of the vibration frequency. Experimental results demonstrate that our system successfully reconstructs the spatially resolved microvibration patterns of adjacent targets with a frequency difference as small as 1 Hz, achieving sub-wavelength vibration sensitivity. This work bridges the gap between computational imaging and coherent metrology, offering a robust solution for non-invasive, high-precision structural health monitoring.

研究动机与目标

• 为结构健康监测和 MEMS 表征提供非侵入、 高分辨率的微振动成像的动机。
• 建立一个时空耦合模型，描述目标振动如何编码成1D桶信号。
• 提出频率-通道自校准方法，在没有先验频率知识的情况下将振动特征与空间斑噪解耦。
• 展示全场微振动重构以及相邻目标在小频差下的动态可视化。

提出的方法

• 提出一个带有基于 DMD 的空间调制和用于相干探测的平衡探测器的 Mach-Zehnder CD-GI 雷达架构。
• 推导信号模型，显示目标的空间分布与时间微观动力学如何耦合进入桶探测器信号。
• 引入频率-通道自校准算法，在不知振动频率的情况下同步脉冲间的随机振动相。
• 对相干积分信号应用时频分析（STFT），提取主导散射体的微-Doppler 轨迹。
• 使用粒子群优化（PSO）跟踪主导散射体的微-Doppler 参数（振幅、频率、初相），并通过二阶相关（ghost imaging）重构动态振动帧。
• 提供相位扫描方法以可视化随时间的完整振动动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 所提的 CD-GI 框架能否在没有先验振动频率知识的单像元、相干探测设置中实现时空动力学解耦？
• RQ2 在解析具有微小频差的相邻振动目标时，频率选择性与传感极限是多少？
• RQ3 主导散射体的振动参数（振幅、频率、初相）可否被准确估计并用于重构动态振动帧？
• RQ4 该方法是否能在亚波长尺度上为非配合目标重构空间分辨的微振动模态？

主要发现

• 该方法能够分辨频差低至1 Hz的相邻目标的空间分辨微振动模式。
• 65 米处的实验在屋顶场景中演示了使用 CD-GI 雷达重构振动模态。
• 通过频率-通道标定将微-Doppler 特征与斑格模式解耦，实现亚波长的振动灵敏度。
• 该框架提供主导散射体的3D和2D 重构，并通过相位扫描实现振动模态的动态可视化。
• 基于 PSO 的跟踪识别最优振动参数，并实现跨脉冲的相干积分以获得高信噪比成像。