Как посмотреть через непрозрачное препятствие?

Как взрывается атомная бомба, как разрывается граната, как пуля пролетает сквозь яблоко, мы видели неоднократно. Быстротекущие процессы стали доступны нашему глазу с его слишком инерционной сетчаткой благодаря сверхскоростным камерам, фиксирующим не 24 кадра в секунду, а в тысячи и миллионы раз больше. Но вот увидеть, как движется свет, еще совсем недавно казалось нереальным. До тех пор, пока группа исследователей из знаменитого бостонского MIT под руководством ассоциированного профессора Рамеша Раскара не показала публике одну из самых сенсационных съемок в истории: люди наконец увидели, как фотоны движутся в пространстве, например проходят сквозь бутылку из-под колы.

Для получения таких результатов, конечно, пришлось построить специальное оборудование, и прежде всего камеру. Камера относится к разряду так называемых щелевых, или стрик-камер, то есть она не делает 2D-кадров (на таких скоростях это невозможно), а всего лишь фиксирует в пространственном виде временную разницу между «прибытиями» отраженных лучей. Камера включает в себя 5000 сенсоров, которые запускаются по очереди с интервалом в одну триллионную долю секунды. Объект съемки «подсвечивается» фемтосекундным лазером. Этот титан-сапфировый лазер способен выдавать сверхкороткие импульсы, которые синхронизированы с работой камеры. Если на пути лазера к объекту съемки поставить подвижное зеркало, можно линия за линией сканировать с помощью стрик-камеры весь объект. Получается система, чем-то похожая на схемы механической развертки изображения в доэлектронном телевидении.

Вскоре эта идея получила продуктивное развитие — представители той же команды объявили, что с помощью фемтосекундного лазера и щелевой камеры они готовы заглянуть за угол или в недоступное помещение (с открытой дверью), используя в качестве старых добрых зеркал совсем не зеркальные поверхности. Идея проста по замыслу, но невероятно сложна по исполнению. Тот же самый фемтосекундный лазер выстреливает сверхкороткими импульсами в сторону двери или стены с таким расчетом, чтобы отраженный луч попал, ну, скажем, в искомую комнату. В комнате луч может удариться в заднюю стену, если на пути ничего нет, или, к примеру, в стул, если он стоит посреди комнаты. Потом он, вероятно, отразится еще несколько раз, потом снова вернется к двери и, наконец, будет зафиксирован стоящей снаружи камерой. Поскольку луч, ударившийся в стену, и луч, который был остановлен стулом, пройдут разное расстояние, прежде чем попасть на сенсоры камеры, то и время их прохождения по своим траекториям окажется разным. Импульсы сверхкороткие, и эту разницу можно зафиксировать, а потом с помощью специального ПО преобразовать полученные данные в некое подобие «тепловой карты», где зоны более интенсивного свечения соответствуют более близким объектам.

Понятно, что изображения, полученные таким путем, будут иметь очень приблизительные формы, и чтобы формы эти приобрели более узнаваемые очертания трехмерных объектов, также понадобилась хитрая математика, которую разрабатывал целый коллектив исследователей, включая Рамеша Раскара, Андреаса Велтена и Откриста Гупту. Трудно даже себе представить, сколько стоит задействованное в этих экспериментах оборудование, однако авторы проекта заявляют, что их успех может в будущем воплотиться в функциональные приборы, с помощью которых, например, пожарные смогут дистанционно осматривать помещения горящего здания, чтобы выяснить, не остались ли в них люди.

Аналогичные проблемы ставила перед собой другая группа исследователей из MIT, на этот раз из Лаборатории им. Линкольна. Исследователи под руководством Грега Чарвата задумались над устройством, которое позволило бы обнаружить движущиеся объекты, причем не за углом, а за толстой бетонной стеной. Это было бы весьма полезно, например, во время ведения городских боев, когда буквально в соседнем помещении могут находиться солдаты неприятеля. Но вот беда — бетон хорошо поглощает и звук, и радиоволны. При радиолокации 99% исходящих волн останутся в толще стены, и 1% оставшихся отраженных волн потеряет еще 99% на обратном пути. По мнению Грегори Чарвата, это было бы не так страшно, поскольку усилители сигнала вполне доступны, но получение картинки заняло бы слишком много времени — необходимо просканировать помещение множество раз, чтобы получить читаемый рисунок. В боевых условиях такое промедление было бы неприемлемым.

Команда Чарвата все же решилась применить радиолокацию, но создала устройство, в котором конструктивно заложен приоритет скорости поступления данных над их качеством. Получился своего рода радар с фазированной антенной решеткой, состоящий из 13 передающих элементов и 8 принимающих. Вся эта аппаратура вместе с вычислительным оборудованием смонтирована на небольшой тележке.

Исследователям из MIT пришлось выбирать длину волн для радиолокации. Как известно, лучше всего с препятствиями справляются длинные волны, однако, для того чтобы получить картинку с более-менее удовлетворительным разрешением, приемную часть пришлось бы серьезно увеличить в размерах. Короткие волны лучше поглощаются, их применение потребовало бы усилителей, но они оказались более подходящим вариантом: радиолокацию решили проводить на частоте примерно в том же диапазоне, в котором вещают устройства Wi-Fi.

Что удалось получить в итоге? Обработав данные с принимающих антенн, ПО генерирует картинку с разрешением 10,8 кадра в секунду. Этого вполне достаточно, чтобы отслеживать в реальном времени перемещение людей за стеной. При этом само изображение имеет вид тепловой карты, где красный «пузырь» с неким «гало» из желтого свечения и мерцающих белых точек должен соответствовать фигуре человека. Оценив количество «пузырей», можно будет прикинуть силы затаившегося врага.

С другой стороны, все эти переливы пятен тоже имеют какой-то смысл, и, как надеется Грегори Чарват, со временем удастся разработать более совершенное ПО, которое отфильтрует шумы и синтезирует более конкретную и узнаваемую картинку. То есть и для тех, кто пытается заглянуть за угол, и для тех, кто хочет смотреть сквозь стену, главная задача заключается в том, чтобы научить компьютер «вытягивать» из минимума данных недоступный человеку максимум информации.