監聽光學「雜訊」？新科技能追蹤隱藏的運動物體！

導讀

對於物體的定位檢測，現在有很多科技手段。然而，在有障礙物和光線發生散射的情況下，如何還能實時追蹤運動物體？最近科學家發明了一種創新方案，能在無法看見物體、無法控制和找准光線照射方向的情況下，定位運動的物體。

技術關鍵字

光學定位

創新背景

也對，對於「檢測、描述和追蹤」遠處的、或者無法直接觀測的物體，現在有很多科技手段可做到。簡單歸納一下，現有的定位技術主要有兩種方案：

• 基於激光的方案

例如LIDAR，向物體發射一束光，然後在物體周圍移動光束，從而推斷出相關的信息例如物體的尺寸、形狀和軌跡。

• 基於圖像的方案

拍攝一些列物體圖像，然後進行計算，並且隨著時間的推移，追蹤物體運動。

對此，這項創新研究的領頭人、中佛羅里達大學的 Dogariu 這麼說：

「這些都是十分好的方案，並且已存在了數十年，並且在理想的情況下，他們的性能無法被超越。但是，只要有物體存在於視線之中，就會使得光線發生散射和不規則，這時候就有麻煩了。」

所以，包括「激光探測與測量」（LIDAR）技術在內的大多數現有技術，具有這樣一個瓶頸：

這些技術需要在物體和感測器之間的存在一個視線。然而，如果在有雲、霧、或者其它導致光線散射的情況下，就無法很好的觀察物體。

創新探索

所以， Aristide Dogariu 領導美國中佛羅里達大學（CREOL）科研團隊，探索出一種創新方法，他們的論文發表於光學會的雜誌《光學期刊》上。他說：

「我們正在促進一個思考模式的轉移。我們不是使用「相干光束」照射物體，而是通過「隨機或者類似噪音」的光線來照射它。通過觀察和物體交互而引起的光線起伏波動，我們可以獲取物體的相關信息。」

最新方案大致描述如下：

他們開發的新技術方案，能夠通過分析物體運動而產生的光學「雜訊」中的波動，追蹤隱藏於散射介質後面的物體。當物體在封閉的盒子中移動時，能夠定位物體。

（圖片來源於：參考資料【2】）

核心技術

如何從光線中的波動推斷出相關信息？

Dogariu的團隊在這方面，已經進行了十多年的學習。他們之前就使用過這些概念，開發感知材料屬性的新型工具和高解析度顯微鏡。

在最近的研究中，他們嘗試在「無法看見物體、無法控制和找准光線照射方向」的情況下，定位運動的物體。

Dogariu 說：

「一個物體隱藏於散射的擴散器後面，無法被空間相干光束照射。物體的運動、形狀、和屬性會影響到雜訊般的光場，這種效果就是我們要測量的。」

因為光線以一種可預見的方式活動，所以Dogariu的團隊開發出了一種靜態方法，從目標物體運動而引起的波動中「分離出自然雜訊」。

測試方法

為了測試該方案，研究人員將一個小物體密閉封裝於一個塑料盒中，這個盒子用於散射光線。

當一束相干光照射到一面散射牆上時，就會在盒子中，創建出一個次光源。目標物體發射出光線，然後光線從散射牆返回，光波會進一步隨機化。這樣，盒子外部的集成探測器會採集這些光線，它使用了一種演算法來區分出由物體波動而引起的自然雜訊。

Dogariu 說：

「如果盒子中的目標物體開始移動，然後它施加於光線的波動，會從盒子中出來，從任何方向都可以十分有效的檢測到。」

（圖片來源於：參考資料【2】）

技術瓶頸

儘管，這項技術可以從盒子外部的任何位置檢測到隱藏於其中的運動物體，但是系統無法檢測到靜止的物體。

創新價值

最近，也有一些其它技術通過對於物體反覆掃描和拍照，從而隨著時間的推移而檢測被掩蓋的物體。然而，這些方案需要：複雜的光學設備和大規模的數據處理，使得它們對於追蹤快速移動的物體來說，顯得不現實。

在Dogariu團隊的實驗中，他們在散射的盒子中，使用更加簡單和便捷的裝置，準確地追蹤物體的移動。Dogariu 說：

「基於波動恢複信息的優勢在於，它相對於外部的擾動，顯得更加的健壯。它對於光源和物體之間、以及物體和接收器之間的擾動，顯得十分地具有健壯性。」

（圖片來源於：參考資料【2】）

應用價值

這項研究可以幫助推進實時「遠程感知技術」，應用于軍事和其它應用領域。研究人員稱，例如，它可以用於在迷霧環境中，追蹤汽車或者飛機，也可以用於生物醫療研究領域，追蹤那些無法直接觀察的、快速移動粒子。

未來展望

因為系統從每個方向的運動中獨立地提取信息，所以這個方案可以從所有的自由度（左右、上下和對角）感知位置。另外，由於這個方法能追蹤物體的質量中心的運動，所以追蹤的精度不受物體傾斜和旋轉的影響。

這個方案的主要缺陷是：它可以提供給目標物體的細節級別有限。當它在物體移動時檢測速度和方向的時候，也許能夠檢測到物體的尺寸，但是它不能檢測到物體的色彩、材料或者形狀。

Dogariu 說：

「你不能通過這種方案獲取細節信息，但是如果你簡化那些問題，只想了解真正感興趣的，那麼你可以解決特定的以任務為導向的問題。」

下一步，團隊將繼續致力於改善這一方案，使得它能夠處理更加複雜的環境、更大的場景、以及入射光線較弱的場景。他們希望這些提升將使得系統，使之離現實世界的應用更近，特別是在生物醫學、遠程控制以及其它領域。

不過據Dogariu 稱，這項研究包含了光線波、類似基於雜訊的方案，也可以在其它領域實現，例如：聲波和微波。

參考資料

【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, 「Tracking hidden objects using stochastic probing,」 Optica, Volume 4, Issue 4, 447-453 (2017). DOI: 10.1364/optica.4.000447

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