监听光学“噪声”？新科技能追踪隐藏的运动物体！

导读

对于物体的定位检测，现在有很多科技手段。然而，在有障碍物和光线发生散射的情况下，如何还能实时追踪运动物体？最近科学家发明了一种创新方案，能在无法看见物体、无法控制和找准光线照射方向的情况下，定位运动的物体。

技术关键字

光学定位

创新背景

也对，对于「检测、描述和追踪」远处的、或者无法直接观测的物体，现在有很多科技手段可做到。简单归纳一下，现有的定位技术主要有两种方案：

• 基于激光的方案

例如LIDAR，向物体发射一束光，然后在物体周围移动光束，从而推断出相关的信息例如物体的尺寸、形状和轨迹。

• 基于图像的方案

拍摄一些列物体图像，然后进行计算，并且随着时间的推移，追踪物体运动。

对此，这项创新研究的领头人、中佛罗里达大学的 Dogariu 这么说：

“这些都是十分好的方案，并且已存在了数十年，并且在理想的情况下，他们的性能无法被超越。但是，只要有物体存在于视线之中，就会使得光线发生散射和不规则，这时候就有麻烦了。”

所以，包括「激光探测与测量」（LIDAR）技术在内的大多数现有技术，具有这样一个瓶颈：

这些技术需要在物体和传感器之间的存在一个视线。然而，如果在有云、雾、或者其它导致光线散射的情况下，就无法很好的观察物体。

创新探索

所以， Aristide Dogariu  领导美国中佛罗里达大学（CREOL）科研团队，探索出一种创新方法，他们的论文发表于光学会的杂志《光学期刊》上。他说：

“我们正在促进一个思考模式的转移。我们不是使用「相干光束」照射物体，而是通过「随机或者类似噪音」的光线来照射它。通过观察和物体交互而引起的光线起伏波动，我们可以获取物体的相关信息。”

最新方案大致描述如下：

他们开发的新技术方案，能够通过分析物体运动而产生的光学“噪声”中的波动，追踪隐藏于散射介质后面的物体。当物体在封闭的盒子中移动时，能够定位物体。

（图片来源于：参考资料【2】）

核心技术

如何从光线中的波动推断出相关信息？

Dogariu的团队在这方面，已经进行了十多年的学习。他们之前就使用过这些概念，开发感知材料属性的新型工具和高分辨率显微镜。

在最近的研究中，他们尝试在「无法看见物体、无法控制和找准光线照射方向」的情况下，定位运动的物体。

Dogariu 说：

“一个物体隐藏于散射的扩散器后面，无法被空间相干光束照射。物体的运动、形状、和属性会影响到噪声般的光场，这种效果就是我们要测量的。”

因为光线以一种可预见的方式活动，所以Dogariu的团队开发出了一种静态方法，从目标物体运动而引起的波动中「分离出自然噪声」。

测试方法

为了测试该方案，研究人员将一个小物体密闭封装于一个塑料盒中，这个盒子用于散射光线。

当一束相干光照射到一面散射墙上时，就会在盒子中，创建出一个次光源。目标物体发射出光线，然后光线从散射墙返回，光波会进一步随机化。这样，盒子外部的集成探测器会采集这些光线，它使用了一种算法来区分出由物体波动而引起的自然噪声。

Dogariu 说：

“如果盒子中的目标物体开始移动，然后它施加于光线的波动，会从盒子中出来，从任何方向都可以十分有效的检测到。”

（图片来源于：参考资料【2】）

技术瓶颈

尽管，这项技术可以从盒子外部的任何位置检测到隐藏于其中的运动物体，但是系统无法检测到静止的物体。

创新价值

最近，也有一些其它技术通过对于物体反复扫描和拍照，从而随着时间的推移而检测被掩盖的物体。然而，这些方案需要：复杂的光学设备和大规模的数据处理，使得它们对于追踪快速移动的物体来说，显得不现实。

在Dogariu团队的实验中，他们在散射的盒子中，使用更加简单和便捷的装置，准确地追踪物体的移动。Dogariu 说：

“基于波动恢复信息的优势在于，它相对于外部的扰动，显得更加的健壮。它对于光源和物体之间、以及物体和接收器之间的扰动，显得十分地具有健壮性。”

（图片来源于：参考资料【2】）

应用价值

这项研究可以帮助推进实时「远程感知技术」，应用于军事和其它应用领域。研究人员称，例如，它可以用于在迷雾环境中，追踪汽车或者飞机，也可以用于生物医疗研究领域，追踪那些无法直接观察的、快速移动粒子。

未来展望

因为系统从每个方向的运动中独立地提取信息，所以这个方案可以从所有的自由度（左右、上下和对角）感知位置。另外，由于这个方法能追踪物体的质量中心的运动，所以追踪的精度不受物体倾斜和旋转的影响。

这个方案的主要缺陷是：它可以提供给目标物体的细节级别有限。当它在物体移动时检测速度和方向的时候，也许能够检测到物体的尺寸，但是它不能检测到物体的色彩、材料或者形状。

Dogariu 说：

“你不能通过这种方案获取细节信息，但是如果你简化那些问题，只想了解真正感兴趣的，那么你可以解决特定的以任务为导向的问题。”

下一步，团队将继续致力于改善这一方案，使得它能够处理更加复杂的环境、更大的场景、以及入射光线较弱的场景。他们希望这些提升将使得系统，使之离现实世界的应用更近，特别是在生物医学、远程控制以及其它领域。

不过据Dogariu 称，这项研究包含了光线波、类似基于噪声的方案，也可以在其它领域实现，例如：声波和微波。

参考资料

【1】http://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2017/by_listening_to_optical_noise_researchers_disco/

【2】M.I. Akhlaghi, A. Dogariu, “,” Optica, Volume 4, Issue 4, 447-453 (2017). DOI:

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