اقتصاد دانش بنیان

اختلال نوری راهی برای توسعه سنسورهای پیشرفته

محققان راه‌حلي براي ردگيري اشياي پنهان يافته‌اند؛ آناليز نوسانات در اختلال نوري که به علت حرکت آن‌ها به وجود مي‌آيد. پژوهشگران دانشگاه مرکزي فلوريدا نشان دادند با اين تکنيک مي‌توان مکان اشيايي را که در يک محفظه بسته حرکت مي‌کنند، ردگيري کرد. اين راهکار مي‌تواند براي امور نظامي، به ويژه شناسايي مکان شيء به کار رود يا به صنايع هوايي در ردگيري هواپيماهايي که از درون يک توده مه غليظ مي‌گذرند، کمک کند. همچنين مي‌تواند جايگاه اتومبيل‌هاي عبوري در آب و هواي طوفاني را مشخص سازد. اين فناوري را مي‌توان در پژوهش‌هاي علوم پايه براي جهت‌يابي ذرات با سرعت بالا که امکان مشاهده مستقيم آن‌ها وجود ندارد، به کار برد. فناوري‌هاي زيادي براي تشخيص، شناسايي و ردگيري اشيايي که دورند و به صورت بصري قابل مشاهده نيستند، وجود دارد.

اغلب فناوري‌هاي موجود مانند LIDAR نيازمند وجود يک خط مشاهده بين آن شيء و سنسور هستن که معناي ديگرش عدم کارکرد مناسب آن‌ها در زماني است که شيء مورد نظر توسط مانعي مثل ابر، مه يا شرايط ديگري که سبب پخش نور مي‌شود، پوشيده شود. مدير تيم مطالعاتي، دکتر آستريد دوگاريو، مي‌گويد: «ما به دنبال تغيير ديدگاه در توسعه اين فناوري هستيم. به جاي تاباندن نور و روشن کردن شيء مورد نظر براي ردگيري، ما آن را با نور و به صورت تصادفي روشن مي‌کنيم. با نگاه به چگونگي تغييرات نوسانات نور که به واسطه برهمکنش بين اشيا به وجود مي‌آيد، مي‌توان درباره اشيا اطلاعات جمع‌آوري کرد.»

ردگيري بدون نور

فناوري‌هاي ردگيري موجود از يک يا دو راهکار استفاده مي‌کنند. روش‌هايي که بر پايه ليزر کار مي‌کنند، مانند LIDAR نوري را به شيء مورد نظر مي‌تابانند و سپس اين نور را به اطراف مي‌چرخانند تا اطلاعاتي شامل اندازه، شکل و مسير حرکت آن به دست آيد.

راهکارهاي بر پايه عکس‌برداري از سوي ديگر، تصاويري از شيء مورد نظر تهيه مي‌کنند و به کمک پردازش کامپيوتري حرکت آن را در طول زمان ردگيري مي‌کنند. دکتر دوگاريو مي‌گويد: «اين موارد استراتژي‌هاي خوبي هستند که براي دهه‌هاست از آن‌ها استفاده مي‌شود و تحت شرايط ايده‌آل عملکرد آن‌ها به بيشينه خود رسيده. مشکل اين است که به محض ايجاد سد در راه نور که سبب پخش شدن نور مي‌شود، عملکرد سيستم پايين مي‌آيد و حتي به صفر مي‌رسد.»

تيم تحقيقاتي دوگاريو بيش از يک دهه است که به دنبال راهي براي جمع‌آوري اطلاعات به کمک نوسانات نوري است و تاکنون از اين راهکار براي ساختن ابزارهايي جهت تشخيص ويژگي‌هاي مواد و ميکروسکوپ‌هاي با وضوح تصوير بالا استفاده کرده است. در جديد‌ترين پژوهش گروه، آن‌ها سعي کردند اشياي در حال حرکت را ردگيري کنند، آن هم در شرايطي که امکان مشاهده آن‌ها وجود ندارد و نمي‌توان جهت نوري را که به سمت شيء تابيده مي‌شود، کنترل کرد يا تشخيص داد.

دکتر دو گاريو شرح مي‌دهد: «شيئي را که پشت يک مانع پخش‌کننده قرار گرفته، نمي‌توان به کمک تاباندن نور روشن ساخت. حرکت شيء، اندازه و ويژگي‌هاي آن بر ويژگي‌هاي آماري اختلال نوري تاثير مي‌گذارد و اين چيزي است که ما آن را اندازه‌گيري مي‌کنيم. زيرا نور به صورتي قابل پيش‌بيني عمل مي‌کند، بنابراين مي‌توان روش‌هايي آماري توسعه داد که اختلال ناشي از نوسانات حاصل از حرکت يک شيء را جدا و اندازه‌گيري کند.

آزمايش اين روش

براي تست اين راهکار، محققان يک شيء کوچک را در داخل يک جعبه پلاستيکي که براي پخش کردن نور ساخته شده بود، قرار دادند. تاباندن نور به يکي از ديواره‌هاي پخش‌کننده سبب توليد منبع ثانويه نور در داخل جعبه مي‌شود. شيء هدف اين نور را پخش مي‌کند و امواج نور زماني که نور از درون ديوارهاي پخش‌کننده مي‌گذرد، باز هم بيشتر در هم مي‌ريزند و توسط سنسورهاي جمع‌آوري‌کننده در خارج از جعبه تشخيص داده مي‌شود و به کمک کاربرد نوعي الگوريتم اختلال حاصل از نوسانات نوري ايجاد شده توسط شيء، تشخيص داده مي‌شود.

به گفته دکتر دوگاريو اگر شيء مورد نظر که به وسيله جعبه محصور شده، حرکت کند، آن‌گاه نوسانات ايجادشده در نوري که از جعبه بيرون مي‌آيد، مي‌توان از هر جهتي به صورت موثر تشخيص داد. اگرچه، اشياي نهان درون جعبه را از خارج از آن به اين روش مي‌توان تشخيص داد، اما اشياي غيرمتحرک هنوز امکان تشخيص ندارند. برخي فناوري‌هاي ديگر، به‌تازگي ابداع شده‌اند که امکان ردگيري اشياي پنهان را با تصويربرداري پشت سر هم از آن‌ها تشخيص مي‌دهند. اگرچه اين راهکارها نيازمند تجهيزات پيچيده نوري و پردازش حجم بالاي داده هستند که سبب مي‌شود براي ردگيري اشيا، به ويژه انواع داراي حرکت سريع، غيرکاربردي شوند.

در اين پژوهش تيم مطالعاتي توانست به صورت دقيق حرکت يک شيء را در داخل محيطي بسته در زمان به کمک روش‌هايي ساده و نه‌چندان گرانقيمت ردگيري کند. مزيت جمع‌آوري داده بر پايه نواسانات اين‌چنيني در نور قابل‌اعتمادتر بودن و مقاومت بالاتر آن‌ها در برابر تداخلات خارجي شامل اختلال ناشي از منبع نوري و شيء مورد نظر و همچنين بين آن شيء و دريافت‌کننده‌هاست.

پتانسيل موجود

از آن‌جا که اين سيستم اطلاعات حرکت را از تمام جهات به صورت مستقل جمع‌آوري مي‌کند، اين روش موقعيت را براي تمام درجات آزادي (چپ، راست، بالا، پايين و اريب) تشخيص مي‌دهد. علاوه بر اين به اين دليل که اين روش، حرکت مرکز ثقل شيء هدف را دنبال مي‌کند، دقت رد‌گيري به وسيله چرخش و نوسانات آن تحت تاثير قرار نمي‌گيرد. مهم‌ترين نقص اين روش، محدوديت جزئيات است که توسط سيستم براي شيء مورد نظر فراهم مي‌شود. اين راهکار سرعت و جهت حرکت يک شيء را تشخيص مي‌دهد و مي‌تواند اندازه آن را حدس بزند، اما جزئياتي مانند رنگ، جنس و ساختار روشن نمي‌شود. دکتر دوگاريو مي‌گويد: «شما نمي‌توانيد جزئيات دقيق را با اين مکانيسم کشف کنيد، اما اگر هدف رسيدن به پاره‌اي از جزئيات باشد، مي‌توان روش‌هايي را ابداع کرد که با کمک آن‌ها اين مشکل حل مي‌شود. به عنوان قدم بعدي، تيم مطالعاتي مشغول کار است تا اين راهکار را دقيق‌تر سازد تا در شرايط پيچيده‌تر هم قابليت کاربرد داشته باشد. با اين بهينه‌سازي‌ها، هدف نهايي گروه تحقيقاتي که استفاده عملي از اين فناوري در کاربرده‌هاي روزمره و عملي مثل پزشکي و سيستم‌هاي تشخيص نظامي است، ميسر مي‌شود.»  

منبع: مجله دانش بنیان