Blick durch den Nebel

  • 20. April 2017

Bewegung verborgener Objekte lässt sich über eine stochas­tische Analyse des Streu­lichts sicht­bar machen.

Messungen mit Laserlicht wie etwa mit Lidar-Systemen stoßen bei dichtem Nebel schnell an ihre Grenzen. Streu­licht über­lagert reflek­tierte Laser­pulse, brauch­bare Daten lassen sich nicht mehr sammeln. Zwei Forscher der Univer­sity of Central Florida in Orlando schlagen jetzt eine Lösung für dieses Problem optischer Mess­ver­fahren vor. Sie ent­wickelten eine Methode, um über eine stochas­tische Analyse des Streu­lichts auf die Bewegung eines verbor­genen Objekts zurück­zu­schließen. Diese Alter­native zu Radar- oder Ultra­schall­messungen könnte sowohl in der Luft­fahrt als auch in der Medizin­technik Anwen­dungen finden.

Streulicht-Analyse

Abb.: Streubox-Experiment: Über die Analyse räum­licher und zeit­licher Fluktua­tionen im Streu­licht kann auf die Bewe­gung von Objekten geschlossen werden. (Bild: A. Dogariu, U. Central Florida)

„Statt ein Objekt mit einem kohärenten Laserpuls zu beleuchten, nutzen wir zufällig gestreutes Licht“, sagt Aristide Dogariu von der Arbeits­gruppe Photonics Diagnostic of Random Media. Die Grund­lage der Idee: Bewegt sich ein Objekt in einem diffus streu­enden Medium, werden Fluktua­tionen im Streu­licht von dieser Bewe­gung beein­flusst. Genau diese winzigen Fluktua­tionen lassen sich über eine statis­tische Analyse des Streu­lichts ermit­teln, um die Trajek­torie eines Objekts verfolgen zu können. Dabei erzeugt eine kohä­rente Streuung ein optisches Feld, das räum­lich und zeit­lich vari­ieren kann.

Dogariu und sein Kollege Milad Akhlaghi zeigten zuerst theore­­tisch, dass die räumliche und zeit­liche Statistik eines optischen Felds markante Fluktua­tionen auf­weist, sobald ein Objekt in einem Licht streu­enden Medium bewegt wird. Anhand dieser statis­tischen Analyse des Streu­lichts sollte es möglich sein, den Unter­grund an Streu­licht von den Fluktua­tionen, die die Bewe­gung des Objekts verur­sacht, zu trennen.

Um dieses Prinzip experimentell zu überprüfen, bauten die beiden Forscher einen hohlen Plexi­glas­würfel mit zwanzig Zenti­metern Kanten­länge. Die fünf Milli­meter dicken Wände beschich­teten sie mit einer stark Licht streu­enden Acryl­schicht mit einer freien Weg­länge für das Streu­licht von siebzig Mikro­metern. Durch das Innere des Würfels bewegten sie ein quadra­tisches Stück trans­pa­rente Folie, auf der sie zuvor das Bild eines Pegasus – das Logo ihrer Arbeits­gruppe – gedruckt hatten. Von außen richteten sie danach einen roten Laser­strahl auf den Würfel. Das kohä­rente Laser­licht wurde an den Wänden stark gestreut und breitete sich im gesamten Würfel­inneren aus.

Auf der gegenüberliegenden Seite fing ein Photo­elek­tronen­ver­viel­facher das austre­tende gestreute Licht wieder auf. Bewegte sich das Pegasus-Bild nicht, blieb es für den Photo­detektor völlig unsich­tbar. Das Licht­signal war sogar so schwach, dass ein Nach­weis etwa über einen parti­ellen Schatten­wurf der Bild­folie nicht möglich war. Erst als die Bild­folie durch den Würfel bewegt wurde, zeigten die Mes­sungen spezi­fische Fluktua­tionen im optischen Feld.

Da die Forscher die Eigenschaften des Laser­lichts und die Struktur der Licht streu­enden Würfel­ober­fläche genau kannten, ließ sich das resul­tie­rende optische Feld bestimmen. Diese Infor­mation nutzten sie für die statis­tische Analyse des optischen Feldes, um das statische Streu­licht von den Fluktua­tionen zu trennen, die von der Bewe­gung der Bild­folie verur­sacht wurden. Das Ergeb­nis: Die Strecken des Objekts konnten ein­deutig ermit­telt werden. Ein Rück­schluss auf Form, Farbe und Mate­rial des Objekts erlaubte diese Analyse jedoch nicht. Lediglich die Größe der Bild­folie ließ sich grob abschätzen.

Mit diesem Experiment belegten die Forscher, dass über die Analyse von schwachem Streu­licht auf die Bewe­gung verbor­gener Objekte zurück­ge­schlossen werden kann. Damit ließen sich etwa Autos und Flug­zeuge selbst im dichten Nebel nach­weisen. Auch für die Medizin­technik ist diese Streu­licht­analyse inte­res­sant, um sich bewe­gende Partikel in Blut­bahnen mit einer optischen Methode ver­folgen zu können. In weiteren Arbeiten planen die Forscher, ihre Analyse­technik auch auf gestreute Schall- und Mikro­wellen zu über­tragen.

Jan Oliver Löfken

RK

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