Попытка визуализировать объект или определить его местоположение с высокой точностью при помощи длинноволновых электромагнитных или звуковых волн может показаться обреченной на неудачу. Получить более-менее четкое изображение можно, если поднести зонд близко к обнаруживаемому объекту, но работа на коротких расстояниях сильно ограничивает возможности устройства.
Новый эхолокатор может «видеть» мелкие объекты издалека
Исследователи создали устройство, которое может определить местоположение небольшого объекта с высоким разрешением. Для этого оно посылает волны определенным образом в замкнутом помещении.
M. del Hougne et al.
Для получения изображения объекта при помощи отраженных волн ученым сегодня требуется размещать детектор близко к объекту. Новый метод может позволить избежать этой ненужной манипуляции — нейросеть сама восстановит многократно отраженный сигнал
Ультразвуковая волна аппарата УЗИ с частотой 5 МГц не позволяет увидеть структуры, которые меньше его длины волны в 0,3 мм. Обычная визуализация с использованием света также ограничена длиной волны. Информация о небольших объектах содержится в отражениях волн с маленькой длиной волны, которые затухают очень быстро при «отскакивании» от объекта. Поэтому большинство методов эхо-визуализации высокого разрешения требуют, чтобы зонд располагался недалеко от объекта.
В последне время исследователи придумали несколько способов субволновой визуализации без близко расположенного зонда, но они несколько сложны. Метод, разработанный авторами новой работы, проще и может быть использован в большем количестве ситуаций. Он основан на так называемой концепции кодированной апертуры. Один из вариантов такого подхода включает в себя направление волн на объект и размещение рассеивающей структуры между ним и детектором.
Например, металлическая полость неправильной формы может быть рассеивающей структурой для микроволн. Исследователи могут снимать несколько показаний с детектора, а затем обрабатывать данные для восстановления полного изображения. В обычном кодированном изображении апертуры волны от источника изображения сталкиваются с объектом только один раз, прежде чем достичь детектора. Но если бы волны могли каким-то образом взаимодействовать с объектом несколько раз, картина отражения была бы более чувствительной к деталям меньше длины волны. Чтобы увеличить число взаимодействий «объект-волна» во время визуализации, физики решили поместить объект внутри рассеивающей структуры.
Исследователи провели эксперимент, в котором определяли местоположение металлического куба внутри металлической коробки. Куб, имевший в поперечнике 4,5 см, помещали на стол, который позволял перемещать его внутри коробки. Коробка также содержала антенны для испускания и приема микроволн с длиной волны 12 см, а также структуры неправильной формы для создания случайных рассеивающих поверхностей.
В эксперименте исследователи измеряли амплитуду микроволн на приемнике. Ученые обучили нейронную сеть декодировать измерения на основе известных местоположений куба. Затем, перемещая куб в неизвестные для программы места, они заставляли нейросеть восстановить положение куба в пределах 0,16 см, или 1/76 длины волны. Оказалось, что алгоритм справляется с этим более чем успешно.
Эта техника может быть применена ко многим типам волновых явлений. Будущий прибор мог бы использовать обычную комнату в качестве эхо-камеры для обнаружения объектов с помощью радио-или акустических волн. Этот метод также можно использовать для систем, которые превращают столешницу в интерактивный сенсорный экран с помощью упругих волн, отражающихся от ее поверхности.
Статья ученых опубликована в журнале Physical Reveiw Letters.