Američtí fyzici vyvinuli jednoduchou optickou metodu pro sledování objektů zahalených v mlze. K detekci objektů pohybujících se v rozptylujícím médiu, jakým je právě mlha nebo mraky, využívají náhodných (šumových) světelných signálů. Tato metoda by mohla mimo jiné nalézt uplatnění třeba ve vojenství, kde se zatím za tímto účelem využívají radary nebo lidary založené na šíření elektromagnetických vln a jejich analýze po odrazu od sledovaného objektu.
Radiolokátor (radar) je zařízení určené k vyhledávání, určování polohy a identifikaci objektů. Mikrovlnná energie je vysílána v impulzech o určitém výkonu a frekvenci (jednotky MHz pro dlouhý dosah a desítky Ghz pro krátký dosah). Lidar je metoda, která se využívá pro dálkové měření vzdálenosti na základě výpočtu doby šíření laserového paprsku odraženého od snímaného objektu.
Obě metody, přestože jsou velmi účinné, vyžadují, aby byl zaměřovaný objekt přímo vidět z antény. Pokud je cíl zahalen prostředím, které rozptyluje vlny, jako je mlha, déšť nebo mraky, přestávají fungovat. Zahalený objekt je sice možné sledovat opakovaným měřením, vyžaduje to však složité zařízení pro měření i pro zpracování dat. Navíc když se rozptyl zhoršuje a rušivé signály rostou, tyto způsoby sledování se stávají neúčinné a může dojít k fatálním chybám.
Část problému tkví v tom, že konvenční metody pro sledování takto zahalených objektů jsou založeny na pravidelných vlnových pulzech určité frekvence, takzvaných determinovaných signálech. Pokud takový pravidelný, přesně determinovaný signál projde nějakou poruchou, naruší se tím více, čím intenzivnější porucha je.
Aby se těmto nepříjemnostem vyhnuli, zvolili fyzici z Floridy jiný přístup. Ve své nejnovější práci popisují techniku, ve které použili ke sledování pohybujících se objektů zahalených rozptylujícím médiem náhodný nebo „šumový“ světelný signál. Tato metoda skutečně funguje, protože i když je signál, který vchází do poruchy, už porušený, jeho střední hodnota je daleko vyšší než u determinovaného signálu. Jinak řečeno, co už je jednou zničeno, nemůže být snadno zničeno znovu.
Fyzici z Floridy vyvinuli statistické metody, které jim umožňují oddělit fluktuace světla emitovaného zamlženým médiem od těch, které se odrazily od pohybujícího se objektu. Funguje to však jen tehdy, když se objekt a zamlžené médium pohybují různými rychlostmi, a to znamená, že vracející se signály mají různé spektrální složení. Hlavním principem metody je zaznamenat změny intenzity světla, které se objeví a vytvořit výkonové spektrum těchto fluktuací. Potom se zmapují různá frekvenční pásma v tomto spektru, což probíhá v reálném čase a nevyžaduje žádné sofistikované výpočty – jde jen o prostou analýzu výkonového spektra.
Svůj nápad fyzici testovali tak, že malý objekt umístili do krabičky z plexiskla, která byla pokryta rozptylujícími linkami ze syntetického akrylátu. Potom posvítili primárním zdrojem koherentního světla na jednu z rozptylujících stěn, a vytvořili tak sekundární zdroj světla uvnitř krabičky. Toto světlo se rozptýlilo na objektu a podléhalo náhodnému výběru, když procházelo zpět akrylovými stěnami ještě před zachycením detektorem světla (fotonásobičem). Statistickou analýzou signálu mohli fyzici sledovat celou 3D trajektorii objektu. Způsob byl účinný pro měření signálu z kteréhokoliv místa vně rozptylující krabičky.
Tato technika nemůže poskytnout detailní informace o objektu, který je sledován, ale „pouze“ informace o rychlosti, směru jeho pohybu a přibližné velikosti. Záleží to na velikosti signálu, který se vrátí. Aby se o sledovaném objektu zjistilo více podrobností, bylo by potřeba provést nákladnější a sofistikovanější testy. Tato metoda však poskytuje jednoduchou cestu, jak zjistit, zda se objekt začal pohybovat a kam směřuje.
Fyzici teď plánují testovat techniku v reálném venkovním prostředí. I když zatím demonstrují měření na optických frekvencích, metoda by mohla pracovat i pro akustické nebo mikrovlnné signály. Plánují také prozkoumat možnosti biomedicínských aplikací, které metoda může poskytnout.
Původní materiál byl uveřejněn v časopise Optica.
Mohlo by vás zajímat:
Slapové
síly a kvantová mechanika
Vesmírná
radiace na Zemi
Gravitační
vlny potřetí
Optický
čip dělá z běžného mikroskopu nanoskop