研究人员利用波动光学分析“噪音”实现目标追踪

研究人员已经开发出一种新的解决方案，能够利用波动光学理论，通过分析经过隐藏物体运动时产生的散射光学“噪音”实现目标追踪。在美国光学学会的高影响力的研究期刊《光学》杂志上，来自中佛罗里达大学（CREOL）的研究人员利用它们开发的这项技术实现目标物体的位置追踪，并在一个封闭的箱体内演示其追踪技术。

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　　该方法可以帮助推进实时遥感军事和其他应用。例如，它可以用来跟踪浓雾中的车辆或飞机穿。根据研究人员的说法，这可能也适用于生物医学领域的研究，这些研究涉及快速移动的粒子，而这些粒子又不能直接观察到。

　　有许多技术能够实现这种探测，描述并跟踪远处的物体，或者那些不能在视觉上直接观察到的目标。然而，大多数现有的技术，如光探测和测距（LIDAR），需要一个视线之间的对象和传感器，这意味着这些传感器在被观测对象被遮蔽的云、雾或其它遮挡后出现散射光时不能很好地工作。

　　“我们正在推动这一技术的转变，”Aristide Dogariu说，压实来自中佛罗里达大学的研究小组的组长。“不是用相干光束照射物体，我们用的是随机光照射它。看看波动的光对目标的修改和相互作用，使我们能够检索有关对象的信息。”

　　现有的跟踪技术使用的方法目前大致有两种方法。一是激光为基础的方法，如激光雷达点的光束的对象，然后移动的光束来推断信息，如对象的大小，形状和轨迹。二是成像为基础的方法，这种方法是采取了一系列的对象的图像，然后随着时间目标移动时执行计算跟踪其运动。

　　“几十年来这些技术都已经是一种很好的策略了，在理想条件下其性能已经无法超越的，”Dogariu说。“但只要在视线中出现随机性的东西，并且发生散射，你就会遇到问题。”

　　Dogariu的团队花了十多年时间学习如何从光的波动中推断目标信息；他们以前应用这些概念实现材料的传感特性，开发了可用于超高分辨率显微镜的新的工具。在他们的最新研究中，他们试图实现在目标看不见的情形下追踪移动的目标物体，并且在照射光不可能控制或确定其方向性的前提下。

　　“一个目标对象，隐藏在一些散射物体中，是不能由空间相干的光束照亮的，”Dogariu说。“而物体的运动、物体的大小和物体的性质都会影响噪声场的统计特性，这种效应正是我们所测量的。”

　　因为光的表现在可预见的方式，Dogariu的团队能够开发出一种独立的自然噪声的波动由物体的运动产生的统计方法。

　　方法的检测

　　为了测试这种方法，研究人员将一个小物体放在一个塑料盒内，用来散射光线。将一束相干光照射到散射壁上，在盒子内产生一个辅助光源。当光通过散射壁时，目标物体散射光，然后光波进一步随机化。然后，通过集成检测器，并搜集在箱子外的散射光，使用一个算法来区分目标对象引起的波动和自然噪声。

　　“如果包裹在这个外壳中的目标开始移动，然后经过波动，它对从盒子里散射出来的光从在任何方向都能非常有效地检测，”Dogariu说。虽然它可以检测隐藏对象从外壳外的任何位置，但系统还不能识别非移动对象。

　　最近开发了一些其他技术，随着时间的推移允许跟踪这种模糊的目标对象通过反复扫描或成像。然而，这些方法需要复杂的光学仪器和大规模的数据处理，这可以使这种技术对于实际中快速移动的对象的检测变得不切实际。

　　在他们的实验中，Dogariu的团队能够准确地在散射外壳外实时使用更简单和更灵活的设置跟踪对象的运动。“基于波动信息恢复的优点是，它对于外部的干扰显示更强大的稳定性，”Dogariu说。“它的强大性在于对光源和对象之间的干扰以及对象和接收器之间的干扰显示出很好的稳定性。”

　　新的机遇

　　因为系统在每个方向上独立地提取关于运动的信息，该方法有效地感知所有自由度的位置（左右，上下和对角线）。此外，由于该方法遵循的目标的质量中心的运动，跟踪精度不受对象倾斜或旋转的影响。

　　该方法的主要缺点是只能实现有限细节的检测，它可以提供有关目标对象的信息。虽然它能够探测物体移动的速度和方向，并且能够揭示物体的大小，但它不能显示物体的颜色、材质或形状。

　　“利用这种方法你不能恢复的详细信息，但是如果你将问题简化到什么才是你真正需要知道的，你可以解决某些任务导向的问题，”Dogariu说。

　　作为下一步研究计划，团队正在努力改进这种方法来处理更复杂的环境，更大的场景和一些具有入射光场较低的情况。他们希望，这些改进将使系统更接近现实世界中的在生物医学，遥感等领域的应用。

　　虽然该研究涉及光波，这种基于噪声的方法也可以其他领域实施，如声学或微波，Dogariu说。

　　原文来源：https://phys.org/news/2017-04-optical-noise-track-hidden.html

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