Ved at lytte til optisk støj, forskere opdager en ny måde at spore skjulte objekter på

Forskere har udviklet en ny løsning til sporing af objekter gemt bag spredningsmedier ved at analysere udsvingene i optisk "støj" skabt af deres bevægelse. I The Optical Society's journal for high impact research, Optica , forskere fra University of Central Florida (CREOL) demonstrerer deres teknik ved at spore placeringen af ​​et objekt, når det flyttes inden i en lukket kasse.

Fremgangsmåden kunne hjælpe med at fremme real-time fjernmåling til militære og andre applikationer. For eksempel, den kan bruges til at spore køretøjer eller fly, der rejser gennem tåge. Det kan også være nyttigt for områder inden for biomedicinsk forskning, der involverer hurtigt bevægelige partikler, der ikke kan observeres direkte, ifølge forskerne.

Der er mange teknologier, der er i stand til at opdage, beskrive og spore objekter, der er langt væk, eller som ikke kan observeres visuelt. Imidlertid, de fleste eksisterende teknologier, såsom Light Detection and Ranging (LIDAR), kræver en sigtelinje mellem objektet og sensoren, hvilket betyder, at de ikke fungerer godt, når objektet er tilsløret af skyer, tåge eller andre forhold, der spreder lys.

"Vi fremmer et paradigmeskift, "sagde Aristide Dogariu fra University of Central Florida og leder af forskerholdet." I stedet for at belyse objektet med en sammenhængende lysstråle, vi belyser det med tilfældigt lys. Når vi ser på, hvordan lysets udsving ændres ved interaktionen med objektet, kan vi hente oplysninger om objektet. "

Indsigt uden sigtelinje

Eksisterende sporingsteknologier anvender en af ​​to tilgange. Laserbaserede metoder som LIDAR retter en lysstråle mod objektet og flytter derefter strålen rundt for at udlede oplysninger såsom objektets størrelse, form og bane. Billedbaserede metoder, på den anden side, tage en række billeder af objektet og derefter udføre beregninger for at spore dets bevægelse over tid.

"Det er meget gode strategier, der har været på plads i årtier, og under ideelle forhold kan deres ydeevne ikke overgås, "sagde Dogariu." Men så snart noget i synsfeltet spreder og randomiserer lyset, du støder på problemer. "

Dogarius team har brugt mere end et årti på at lære at udlede information fra udsvingene i lys; de har tidligere anvendt disse begreber til at udvikle nye værktøjer til registrering af materialers egenskaber og til superopløselig mikroskopi. I deres seneste forskning, de søgte at spore bevægelige objekter under forhold, hvor det ikke er muligt at se objektet og ikke er muligt at kontrollere eller præcisere retningen af ​​det lys, der skinner på det.

"Et objekt, der er skjult bag en eller anden spredningsdiffusor, belyses ikke af en rumligt sammenhængende stråle, "sagde Dogariu." Objektets bevægelse, objektets størrelse og objektets egenskaber påvirker de statistiske egenskaber ved det støjlignende optiske felt, og denne effekt er, hvad vi måler. "

Fordi lys opfører sig på en forudsigelig måde, Dogarius team var i stand til at udvikle statistiske metoder til at adskille naturlig støj fra udsving, der skabes ved bevægelse af målobjektet.

Test af metoden

For at teste tilgangen, forskerne lukkede en lille genstand inde i en plastkasse, der er designet til at sprede lys. At skinne en stråle af sammenhængende lys på en af ​​de spredende vægge skaber en sekundær lyskilde inde i boksen. Målobjektet spreder dette lys, og derefter randomiseres lysbølgerne yderligere, når lys passerer tilbage gennem de spredende vægge. Lyset opsamles derefter uden for boksen af ​​en integrerende detektor, som bruger en algoritme til at skelne naturlig støj fra udsvingene forårsaget af objektet.

"Hvis målet, der er omgivet af dette kabinet, begynder at bevæge sig, så kan de udsving, det påfører lyset, der kommer ud af kassen, meget effektivt detekteres fra enhver retning, "sagde Dogariu. Selvom den kan registrere det skjulte objekt fra ethvert sted uden for kabinettet, systemet kan ikke identificere et objekt, der ikke bevæger sig.

Nogle andre teknologier er for nylig blevet udviklet, der gør det muligt at spore obskurerede objekter ved gentagne gange at scanne eller afbilde dem over tid. Imidlertid, disse tilgange kræver komplekse optiske instrumenter og storstilet databehandling, hvilket kan gøre dem upraktiske til at følge objekter i hurtig bevægelse.

I deres eksperimenter, Dogarius team var i stand til nøjagtigt at spore objektets bevægelse i spredningskabinettet i realtid ved hjælp af en enklere og mere alsidig opsætning. "Fordelen ved at gendanne oplysninger baseret på udsving er, at den er mere robust over for eksterne forstyrrelser, "sagde Dogariu." Det er robust mod forstyrrelser mellem lyskilden og objektet og mellem objektet og modtageren. "

Nye muligheder

Fordi systemet udtrækker information om bevægelse i hver retning uafhængigt, tilgangen registrerer effektivt position for alle frihedsgrader (venstre-højre, op-ned og diagonal). Ud over, fordi metoden følger bevægelsen af ​​målets massecenter, sporingsnøjagtigheden påvirkes ikke, når objektet vipper eller roterer.

Metodens største ulempe er det begrænsede detaljeringsniveau, den kan give om målobjektet. Selvom det kan registrere hastigheden og retningen, hvormed objektet bevæger sig og muligvis kan afsløre objektets størrelse, den kan ikke afsløre sin farve, materiale, eller nødvendigvis dens form.

"Du kan ikke gendanne detaljerede oplysninger med denne metode, men hvis du forenkler spørgsmålet til det, du virkelig har brug for at vide, du kan løse visse opgaveorienterede problemer, "sagde Dogariu.

Som et næste trin, teamet arbejder på at forfine tilgangen til at håndtere mere komplekse miljøer, større scener og scener med lavere niveauer af indgående lys. Deres håb er, at disse forbedringer vil bringe systemet tættere på virkelige anvendelser inden for biomedicin, fjernmåling og andre områder.

Selvom forskningen involverede lysbølger, lignende støjbaserede tilgange kunne implementeres i andre domæner, såsom akustik eller mikrobølger, Sagde Dogariu.