Forskare har utvecklat en ny lösning för att spåra föremål gömda bakom spridningsmedia genom att analysera fluktuationerna i optiskt "brus" som skapas av deras rörelse. I The Optical Society's journal for high impact research, Optica , forskare från University of Central Florida (CREOL) demonstrerar sin teknik genom att spåra platsen för ett objekt när det flyttas i en sluten låda.

Metoden kan hjälpa till att avancera fjärranalys i realtid för militära och andra applikationer. Till exempel, den kan användas för att spåra fordon eller flygplan som färdas genom dimma. Det kan också vara användbart för områden inom biomedicinsk forskning som involverar partiklar som rör sig snabbt och som inte kan observeras direkt, enligt forskarna.

Det finns många tekniker som kan upptäcka, beskriva och spåra objekt som är långt borta eller som inte kan observeras visuellt. Dock, de flesta befintliga tekniker, såsom Light Detection and Ranging (LIDAR), kräver en siktlinje mellan objektet och sensorn, vilket betyder att de inte fungerar bra när objektet döljs av moln, dimma eller andra förhållanden som sprider ljus.

"Vi främjar ett paradigmskifte, "sade Aristide Dogariu från University of Central Florida och ledare för forskargruppen." I stället för att belysa objektet med en sammanhängande ljusstråle, vi belyser det med slumpmässigt ljus. Genom att titta på hur ljusets fluktuationer modifieras genom interaktionen med objektet kan vi hämta information om objektet. "

Insikter utan siktlinje

Befintlig spårningsteknik använder en av två metoder. Laserbaserade metoder som LIDAR riktar en ljusstråle mot objektet och flyttar sedan strålen runt för att härleda information som objektets storlek, form och bana. Bildbaserade metoder, å andra sidan, ta en serie bilder av objektet och utför sedan beräkningar för att spåra dess rörelse över tid.

"Det här är mycket bra strategier som har funnits i decennier, och under idealiska förhållanden kan deras prestanda inte överträffas, "sa Dogariu." Men så snart något i synfältet sprider sig och slumpmässigt släpper ljuset, du stöter på problem. "

Dogarius team har ägnat mer än ett decennium åt att lära sig att utläsa information från svängningarna i ljuset; de använde tidigare dessa koncept för att utveckla nya verktyg för att känna av materialegenskaper och för superupplöst mikroskopi. I sin senaste forskning, de försökte spåra rörliga föremål under förhållanden där det inte är möjligt att se föremålet och inte är möjligt att kontrollera eller bestämma riktningen av ljuset som lyser på det.

"Ett föremål som är dolt bakom någon spridningsdiffusor belyses inte av en rumsligt sammanhängande stråle, "sa Dogariu." Objektets rörelse, objektets storlek och objektets egenskaper påverkar de statistiska egenskaperna hos det brusliknande optiska fältet, och denna effekt är vad vi mäter. "

Eftersom ljus beter sig på ett förutsägbart sätt, Dogarius team kunde utveckla statistiska metoder för att skilja naturligt brus från fluktuationer som skapas av rörelsen av målobjektet.

Testar metoden

För att testa tillvägagångssättet, forskarna inneslutna ett litet föremål i en plastlåda som är utformad för att sprida ljus. Att lysa en stråle av sammanhängande ljus på en av spridningsväggarna skapar en sekundär ljuskälla inuti lådan. Målobjektet sprider detta ljus och sedan randomiseras ljusvågorna ytterligare när ljus passerar tillbaka genom spridningsväggarna. Ljuset samlas sedan utanför lådan av en integrerande detektor, som använder en algoritm för att skilja naturligt brus från de fluktuationer som orsakas av objektet.

"Om målet som omges av detta hölje börjar röra sig, då kan de fluktuationer som det påför ljuset som kommer ut ur lådan detekteras från alla håll mycket effektivt, "sa Dogariu. Även om det kan upptäcka det dolda föremålet från valfri plats utanför höljet, systemet kan inte identifiera ett objekt som inte rör sig.

Vissa andra tekniker har nyligen utvecklats som gör det möjligt att spåra skymda objekt genom att skanna eller avbilda dem upprepade gånger över tiden. Dock, dessa metoder kräver komplexa optiska instrument och storskalig databehandling, vilket kan göra dem opraktiska för att följa objekt i snabb rörelse.

I deras experiment, Dogarius team kunde spåra objektets rörelse i spridningshöljet exakt i realtid med hjälp av en enklare och mer mångsidig installation. "Fördelen med att återställa information baserat på fluktuationer är att den är mer robust mot externa störningar, "sade Dogariu." Den är robust mot störningar mellan ljuskällan och föremålet och mellan objektet och mottagaren. "

Nya möjligheter

Eftersom systemet extraherar information om rörelse i varje riktning oberoende, tillvägagångssättet känner effektivt av position för alla grader av frihet (vänster-höger, upp och ner och diagonalt). Dessutom, eftersom metoden följer rörelsen i målets masscentrum, spårningsnoggrannheten påverkas inte när objektet lutar eller roterar.

Metodens huvudsakliga nackdel är den begränsade detaljnivå den kan ge om målobjektet. Även om det kan detektera hastigheten och riktningen som objektet rör sig med och kanske kan avslöja objektets storlek, den kan inte avslöja sin färg, material, eller nödvändigtvis dess form.

"Du kan inte återställa detaljerad information med den här metoden, men om du förenklar frågan till vad du verkligen behöver veta, du kan lösa vissa uppgiftsorienterade problem, sa Dogariu.

Som ett nästa steg, teamet arbetar med att förfina tillvägagångssättet för att hantera mer komplexa miljöer, större scener och scener med lägre nivåer av inkommande ljus. Deras förhoppning är att dessa förbättringar kommer att föra systemet närmare verkliga applikationer inom biomedicin, fjärranalys och andra områden.

Även om forskningen involverade ljusvågor, liknande brusbaserade tillvägagångssätt kan implementeras på andra domäner, såsom akustik eller mikrovågor, Sa Dogariu.