Mit Mathematik durch dichten Nebel blicken

Über eine statistische Analyse von Streulicht lassen sich bewegte Objekte verfolgen
Skizze des Pilotexperiment mit einer Streubox: Über die Analyse des Streulichts kann die Bewegung von Objekten beobachtet werden.
Skizze des Pilotexperiment mit einer Streubox: Über die Analyse des Streulichts kann die Bewegung von Objekten beobachtet werden.
© A. Dogariu, Univ. of Central Florida
Orlando (USA) - In Nebel oder Wolken lassen sich beliebige Objekte vor einem Betrachter verstecken. Verantwortlich dafür ist die Streuung der Lichtwellen. Doch amerikanische Physiker entwickelten nun eine Methode, um selbst in stark streuenden Medien verborgene Objekte aufzuspüren. In der Fachzeitschrift „Optica“ berichten sie über eine ausgeklügelte statistische Analyse von Streulicht, mit der sie die Bewegung eines mit bloßem Auge unsichtbaren Testkörpers aufzeichnen konnten. Diese günstige Alternative zum Radar oder Ultraschall könnte in der Luftfahrt oder in der Medizintechnik angewandt werden.

„Fluktuationen im Streulicht werden durch die Bewegung eines Objektes beeinflusst“, sagt Aristide Dogariu von der University of Central Florida in Orlando. Und genau diese winzigen Fluktuationen lassen sich über eine statistische Analyse des Streulichts ermitteln, um den Weg des Objektes zu verfolgen. Dogariu und sein Kollege Milad Akhlaghi überprüften das Prinzip auch in einem Experiment: Sie bauten einen Plexiglaswürfel mit 20 Zentimeter Kantenlänge. Die Wände dieses Würfels waren so stark aufgeraut, dass Lichtwellen stark gestreut wurden. Durch das Innere des Würfels bewegten sie ein Stück transparente Folie, auf der das Bild eines Pegasus gedruckt war. Mit bloßem Auge war nichts von außen zu erkennen.

Nun richteten sie Forscher einen grünen Laserstrahl auf den Würfel. Das Laserlicht wurde an den Wänden gestreut und breitete sich im gesamten Würfelinneren aus. Auf der gegenüberliegenden Seite fing ein empfindlicher Detektor das austretende, gestreute Licht wieder auf. Bewegte sich das Pegasus-Bild nicht, blieb es für den Lichtdetektor völlig unsichtbar. Ein Nachweis etwa über einen partiellen Schattenwurf war nicht möglich. Erst als die Bildfolie durch den Würfel bewegt wurde, zeigten die Messungen spezifische Fluktuationen in der Intensität. Über einen speziellen Algorithmus ließen sich diese optischen Signale vom statischen Streulicht trennen. 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 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 im dichten Nebel verfolgen. Auch für die Medizintechnik ist diese Streulichtanalyse interessant, um sich bewegende Partikel in Blutbahnen mit einer günstigen Technik beobachten zu können. In weiteren Arbeiten planen die Forscher, ihre Analysetechnik auch bei gestreuten Schall- und Mikrowellen anzuwenden.

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