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

Share |

Newsletter

Haben Sie Interesse am kostenlosen wöchentlichen oder monatlichen pro-physik.de-Newsletter? Zum Abonnement geht es hier.

COMSOL NEWS 2018

COMSOL Days

Lesen Sie, wie Ingenieure in einer Vielzahl von Branchen präzise digitale Prototypen erstellen, um die Grenzen der Technologie zu überschreiten und den Bedarf an physischen Prototypen zu reduzieren, sowie Simulationsanwendungen zu erstellen, mit denen Kollegen und Kunden weltweit neue Ideen testen können.

comsol.de/c/7bzn

Site Login

Bitte einloggen

Andere Optionen Login

Website Footer