Новий ехолокатор може «бачити» дрібні об'єкти здалеку

Дослідники створили пристрій, який може визначити місце розташування невеликого об'єкта з високою роздільною здатністю. Для цього воно посилає хвилі певним чином в замкнутому приміщенні.

Для отримання зображення об'єкта за допомогою відображених хвиль вченим сьогодні потрібно розміщувати детектор близько до об'єкта. Новий метод може дозволити уникнути цієї непотрібної маніпуляції - нейромережа сама відновить багаторазово відображений сигнал

Спроба візуалізувати об'єкт або визначити його місце розташування з високою точністю за допомогою довгохвильових електромагнітних або звукових хвиль може здатися приреченою на невдачу. Отримати більш-менш чітке зображення можна, якщо піднести зонд близько до об'єкта, що виявляється, але робота на коротких відстанях сильно обмежує можливості пристрою.

Ультразвукова хвиля апарату УЗД з частотою 5 МГц не дозволяє побачити структури, які менше його довжини хвилі в 0,3 мм. Звичайна візуалізація з використанням світла також обмежена довжиною хвилі. Інформація про невеликі об'єкти міститься у відображеннях хвиль з маленькою довжиною хвилі, які затухають дуже швидко при «відскакуванні» від об'єкта, тому більшість методів відлуння-візуалізації високої роздільної здатності вимагають, щоб зонд розташовувався недалеко від об'єкта.

Останнім часом дослідники придумали кілька способів субволнової візуалізації без близько розташованого зонда, але вони дещо складні. Метод, розроблений авторами нової роботи, простіше і може бути використаний в більшій кількості ситуацій. Він заснований на так званій концепції кодованої апертури. Один з варіантів такого підходу включає в себе напрямок хвиль на об'єкт і розміщення розсіюючої структури між ним і детектором.

Наприклад, металева порожнина неправильної форми може бути розсіювальною структурою для мікроволн. Дослідники можуть знімати кілька показань з детектора, а потім обробляти дані для відновлення повного зображення. У звичайному кодованому зображенні апертури хвилі від джерела зображення стикаються з об'єктом тільки один раз, перш ніж досягти детекторану. Але якщо б хвилі могли якимось чином взаємодіяти з об'єктом кілька разів, картина відображення була б більш чутливою до деталей менше довжини хвилі. Щоб збільшити число взаємодій «об'єкт-хвиля» під час візуалізації, фізики вирішили помістити об'єкт всередині розсіюючої структури.

Дослідники провели експеримент, в якому визначали місце розташування металевого куба всередині металевої коробки. Куб, що мав у поперечнику 4,5 см, поміщали на стіл, який дозволяв переміщати його всередині коробки. Коробка також містила антени для випускання і прийому мікрохвиль з довжиною хвилі 12 см, а також структури неправильної форми для створення випадкових розсіювальних поверхонь.

В експерименті дослідники вимірювали амплітуду мікрохвиль на приймальнику. Вчені навчили нейронну мережу декодувати вимірювання на основі відомих розташувань куба. Потім, переміщуючи куб в невідомі для програми місця, вони змушували нейромережу відновити положення куба в межах 0,16 см, або 1/76 довжини хвилі. Виявилося, що алгоритм справляється з цим більш ніж успішно.

Ця техніка може бути застосована до багатьох типів хвильових явищ. Майбутній прилад міг би використовувати звичайну кімнату в якості ехо-камери для виявлення об'єктів за допомогою радіо-або акустичних хвиль. Цей метод також можна використовувати для систем, які перетворюють сторінку в інтерактивний сенсорний екран за допомогою упругих хвиль, що відбиваються від її поверхні.

Стаття вчених опублікована в журналі Physical Reveiw Letters.