Onderzoekers hebben een nieuwe oplossing ontwikkeld voor het volgen van objecten die verborgen zijn achter verstrooiende media door de fluctuaties in optische "ruis" die door hun beweging worden veroorzaakt, te analyseren. In het tijdschrift The Optical Society voor high impact research, optiek , onderzoekers van de University of Central Florida (CREOL) demonstreren hun techniek door de locatie van een object te volgen terwijl het in een afgesloten doos wordt verplaatst.

De aanpak kan helpen om realtime teledetectie voor militaire en andere toepassingen te bevorderen. Bijvoorbeeld, het kan worden gebruikt om voertuigen of vliegtuigen te volgen die door mist reizen. Het kan ook nuttig zijn voor gebieden van biomedisch onderzoek waarbij snel bewegende deeltjes betrokken zijn die niet direct kunnen worden waargenomen, volgens de onderzoekers.

Er zijn veel technologieën die kunnen detecteren, het beschrijven en volgen van objecten die ver weg zijn of die niet visueel kunnen worden waargenomen. Echter, de meeste bestaande technologieën, zoals lichtdetectie en -bereik (LIDAR), een zichtlijn nodig hebben tussen het object en de sensor, wat betekent dat ze niet goed werken wanneer het object wordt verduisterd door wolken, mist of andere omstandigheden die licht verstrooien.

"We promoten een paradigmaverschuiving, " zei Aristide Dogariu van de University of Central Florida en leider van het onderzoeksteam. "In plaats van het object te verlichten met een coherente lichtstraal, we verlichten het met willekeurig licht. Als we kijken naar hoe de fluctuaties van het licht worden gewijzigd door de interactie met het object, kunnen we informatie over het object ophalen."

Inzichten zonder zichtlijn

Bestaande trackingtechnologieën gebruiken een van de twee benaderingen. Op laser gebaseerde methoden zoals LIDAR richten een lichtstraal op het object en verplaatsen de straal vervolgens om informatie af te leiden, zoals de grootte van het object, vorm en traject. Op beeld gebaseerde methoden, anderzijds, maak een reeks afbeeldingen van het object en voer vervolgens berekeningen uit om de beweging ervan in de loop van de tijd te volgen.

"Dit zijn zeer goede strategieën die al tientallen jaren bestaan, en onder ideale omstandigheden kunnen hun prestaties niet worden overtroffen, "zei Dogariu. "Maar zodra iets in de gezichtslijn het licht verstrooit en willekeurig maakt, je komt in de problemen."

Het team van Dogaru heeft meer dan een decennium besteed aan het leren afleiden van informatie uit de fluctuaties in het licht; ze hebben deze concepten eerder toegepast bij het ontwikkelen van nieuwe hulpmiddelen voor het detecteren van de eigenschappen van materialen en voor superresolutiemicroscopie. In hun laatste onderzoek ze probeerden bewegende objecten te volgen in omstandigheden waarin het niet mogelijk is om het object te zien en niet mogelijk om de richting van het licht dat erop schijnt te controleren of te bepalen.

"Een object dat achter een of andere verstrooiingsdiffusor is verborgen, wordt niet verlicht door een ruimtelijk coherente straal, " zei Dogariu. "De beweging van het object, de grootte van het object en de eigenschappen van het object beïnvloeden de statistische eigenschappen van het ruisachtige optische veld, en dit effect is wat we meten."

Omdat licht zich voorspelbaar gedraagt, Het team van Dogaru was in staat statistische methoden te ontwikkelen om natuurlijke ruis te scheiden van fluctuaties die worden veroorzaakt door de beweging van het doelobject.

De methode testen

Om de aanpak te testen, de onderzoekers sloten een klein object in een plastic doos die is ontworpen om licht te verstrooien. Door een bundel coherent licht op een van de verstrooiende wanden te laten schijnen, ontstaat er een secundaire lichtbron in de doos. Het doelobject verstrooit dit licht en vervolgens worden de lichtgolven verder willekeurig wanneer het licht teruggaat door de verstrooiende muren. Het licht wordt vervolgens buiten de doos verzameld door een integrerende detector, die een algoritme gebruikt om natuurlijke ruis te onderscheiden van de fluctuaties die door het object worden veroorzaakt.

"Als het doelwit dat wordt omringd door deze omheining begint te bewegen, dan kunnen de fluctuaties die het oplegt aan het licht dat uit de doos komt zeer efficiënt vanuit elke richting worden gedetecteerd, "zei Dogaru. Hoewel het het verborgen object vanaf elke locatie buiten de behuizing kan detecteren, het systeem kan een niet-bewegend object niet identificeren.

Er zijn onlangs enkele andere technologieën ontwikkeld waarmee verborgen objecten kunnen worden gevolgd door ze in de loop van de tijd herhaaldelijk te scannen of af te beelden. Echter, die benaderingen vereisen complexe optische instrumenten en grootschalige gegevensverwerking, waardoor ze onpraktisch kunnen worden voor het volgen van snel bewegende objecten.

In hun experimenten, Het team van Dogaru was in staat om de beweging van het object binnen de verstrooiingsbehuizing in realtime nauwkeurig te volgen met behulp van een eenvoudigere en veelzijdigere opstelling. "Het voordeel van het herstellen van informatie op basis van fluctuaties is dat het robuuster is tegen externe verstoringen, "zei Dogaru. "Het is robuust tegen storingen tussen de lichtbron en het object en tussen het object en de ontvanger."

Nieuwe kansen

Omdat het systeem onafhankelijk informatie over beweging in elke richting extraheert, de nadering detecteert efficiënt de positie voor alle vrijheidsgraden (links-rechts, omhoog-omlaag en diagonaal). In aanvulling, omdat de methode de beweging van het zwaartepunt van het doelwit volgt, de volgnauwkeurigheid wordt niet beïnvloed wanneer het object kantelt of roteert.

Het belangrijkste nadeel van de methode is het beperkte detailniveau van het doelobject. Hoewel het de snelheid en richting kan detecteren waarmee het object beweegt en mogelijk de grootte van het object kan onthullen, het kan zijn kleur niet onthullen, materiaal, of noodzakelijkerwijs zijn vorm.

"U kunt met deze methode geen gedetailleerde informatie herstellen, maar als je de vraag vereenvoudigt tot wat je echt moet weten, je kunt bepaalde taakgerichte problemen oplossen, ' zei Dogaru.

Als volgende stap, het team werkt aan het verfijnen van de aanpak om complexere omgevingen aan te kunnen, grotere scènes en scènes met lagere niveaus van binnenkomend licht. Hun hoop is dat deze verbeteringen het systeem dichter bij echte toepassingen in de medische biologie zullen brengen, teledetectie en andere gebieden.

Hoewel het onderzoek betrekking had op lichtgolven, soortgelijke op geluid gebaseerde benaderingen zouden in andere domeinen kunnen worden geïmplementeerd, zoals akoestiek of magnetrons, zei Dogaru.