Связь сквозь стены: ученые из UCLA создали уникальный способ передачи оптической информации вокруг любых препятствий
Способность передавать оптическую информацию в свободном пространстве с помощью ультрафиолетовых, видимых или инфракрасных волн привлекает все больше внимания из-за доступности большой полосы пропускания для высокоскоростной связи. Однако наличие непрозрачных преград или стен на пути между передатчиком и приемником часто мешает передаче информации, блокируя прямую видимость. Как решить эту проблему и доставить оптическую информацию вокруг произвольно формированных непрозрачных препятствий или стен?
В новой статье, опубликованной в журнале Nature Communications, команда исследователей из Инженерной школы UCLA Samueli и Института наносистем Калифорнии, возглавляемая доктором Айдоганом Озканом, профессором кафедры электротехники и компьютерных наук, и доктором Моной Джаррахи, обладателем кафедры Northrop Grumman в UCLA, сообщила о принципиально новом методе доставки оптической информации вокруг произвольно формированных непрозрачных препятствий или стен. Этот метод позволяет передавать оптическую информацию, например, изображения, вокруг больших и динамически изменяющихся непрозрачных препятствий. Он основан на цифровом кодировании на передатчике и дифракционном всё-оптическом декодировании на приемнике для передачи информации вокруг произвольных непрозрачных препятствий, которые полностью блокируют прямую видимость между апертурами передатчика и приемника.
В этой схеме любое изображение или пространственная информация, которую необходимо передать, кодируется в фазовом канале передаваемой волны. Эта передаваемая фазовая структура рассчитывается с помощью нейронной сети-кодера, обученной с использованием глубокого обучения, и рассеивается непрозрачным препятствием или стеной, которая блокирует путь между передатчиком и приемником. Однако рассеянный свет от краев непрозрачной стены достигает специального приемника, который оптимизирован для декодирования сообщения кодера. Это декодирование принятой волны происходит без какого-либо внешнего питания или цифровой обработки данных, и оно использует только пассивную дифракцию света через набор пространственно инженерных поверхностей (дифракционных слоев), которые также оптимизированы с помощью глубокого обучения для всё-оптического восстановления исходной информации в выходном поле зрения.
Исследователи из UCLA продемонстрировали свой метод экспериментально, передавая изображения вокруг произвольно формированных непрозрачных препятствий/стен с помощью терагерцовых волн. Этот метод показал свою устойчивость к неизвестным изменениям в канале связи и может передавать изображения вокруг непрозрачных препятствий, которые меняют свой размер и форму со временем. Исследователи полагают, что их методология найдет применение в новых системах свободнопространственной связи с высокой скоростью передачи данных. Кроме того, подход команды UCLA к инженерному проектированию функции рассеяния краев от непрозрачных препятствий также может позволить множество приложений в области безопасности, робототехники и носимых устройств, включая передачу энергии к мобильным устройствам за пределами препятствий или видение объектов, зажатых между препятствиями.
Как работает новый метод?
Для того, чтобы понять, как работает новый метод, давайте сначала рассмотрим, как обычно передается оптическая информация в свободном пространстве. Для этого нужно иметь передатчик, который генерирует оптическую волну с заданной амплитудой и фазой, и приемник, который регистрирует эту волну. Если между передатчиком и приемником нет никаких препятствий, то оптическая волна распространяется по прямой линии и достигает приемника без искажений. Таким образом, можно передать любую оптическую информацию, например, изображение, кодируя ее в амплитуде или фазе передаваемой волны.
Однако, если между передатчиком и приемником есть непрозрачное препятствие или стена, то оптическая волна не может пройти сквозь него и рассеивается на его поверхности. Это приводит к потере информации и невозможности ее восстановления на приемнике. Для решения этой проблемы существуют различные методы, которые пытаются обойти препятствие или использовать его свойства для передачи информации.
Один из таких методов — это использование рефлекторов или зеркал, которые отражают оптическую волну от препятствия в сторону приемника. Этот метод требует наличия дополнительных элементов, которые должны быть установлены в определенных местах, и не работает, если препятствие имеет сложную форму или меняется со временем.
Другой метод — это использование рассеянного света от препятствия для передачи информации. Этот метод основан на том, что непрозрачное препятствие не полностью поглощает оптическую волну, а частично рассеивает ее в разные направления. Если приемник находится в одном из этих направлений, то он может зарегистрировать часть рассеянного света и попытаться восстановить исходную информацию. Однако, этот метод имеет низкую эффективность и качество передачи информации, так как рассеянный свет сильно искажается и содержит мало информации о фазе передаваемой волны.
Новый метод, предложенный командой UCLA, преодолевает эти недостатки, используя две ключевые идеи: цифровое кодирование информации в фазовом канале передаваемой волны и дифракционное всё-оптическое декодирование информации на приемнике. Для этого используются специальные устройства, которые называются нейронными сетями-кодерами и дифракционными слоями.
Нейронная сеть-кодер — это устройство, которое принимает на входе изображение или пространственную информацию, которую необходимо передать, и выдает на выходе фазовую структуру, которая кодирует эту информацию. Эта фазовая структура имеет такую форму, что при рассеянии на непрозрачном препятствии она создает определенный рассеянный световой паттерн, который может быть декодирован на приемнике. Нейронная сеть-кодер обучается с помощью глубокого обучения, используя множество примеров изображений и соответствующих фазовых структур, которые обеспечивают успешную передачу информации вокруг различных препятствий.
Дифракционный слой — это устройство, которое принимает на входе рассеянный свет от непрозрачного препятствия и выдает на выходе восстановленное изображение или пространственную информацию. Это устройство работает без какого-либо внешнего питания или цифровой обработки данных, и оно использует только пассивную дифракцию света через набор пространственно инженерных поверхностей, которые формируют выходное поле зрения. Дифракционный слой также обучается с помощью глубокого обучения, используя множество примеров рассеянных световых паттернов и соответствующих восстановленных изображений, которые обеспечивают высокое качество декодирования.
Схема работы нового метода можно представить следующим образом:
- Передатчик генерирует оптическую волну с заданной частотой и интенсивностью.
- Нейронная сеть-кодер преобразует изображение или пространственную информацию, которую необходимо передать, в фазовую структуру, которая кодирует эту информацию в фазовом канале передаваемой волны.
- Оптическая волна с кодированной фазовой структурой рассеивается на непрозрачном препятствии или стене, которая блокирует прямую видимость между передатчиком и приемником.
- Рассеянный свет от краев непрозрачной стены достигает приемника, который состоит из дифракционного слоя и детектора.
- Дифракционный слой преобразует рассеянный свет в восстановленное изображение или пространственную информацию, используя только пассивную дифракцию света через набор пространственно инженерных поверхностей, которые формируют выходное поле зрения.
- Детектор регистрирует восстановленное изображение или пространственную информацию, которая совпадает с исходной информацией, переданной передатчиком.
Какие преимущества имеет новый метод?
Новый метод передачи оптической информации вокруг произвольно формированных непрозрачных препятствий или стен, разработанный командой UCLA, имеет несколько преимуществ перед существующими методами. Во-первых, он не требует наличия дополнительных элементов, таких как рефлекторы или зеркала, которые должны быть установлены в определенных местах, и не зависит от формы или положения препятствия. Во-вторых, он имеет высокую эффективность и качество передачи информации, так как использует фазовый канал передаваемой волны, который имеет большую емкость, чем амплитудный канал, и дифракционное всё-оптическое декодирование, которое не вносит дополнительных шумов или искажений. В-третьих, он устойчив к неизвестным изменениям в канале связи, таким как перемещение, деформация или вращение препятствия, так как нейронная сеть-кодер и дифракционный слой обучаются с помощью глубокого обучения, которое позволяет адаптироваться к различным сценариям. В-четвертых, он работает в широком диапазоне частот оптического спектра, включая терагерцовые волны, которые имеют большую полосу пропускания и могут проникать через некоторые материалы, которые непрозрачны для видимого света.
Какие перспективы открывает новый метод?
Новый метод передачи оптической информации вокруг произвольно формированных непрозрачных препятствий или стен, разработанный командой UCLA, открывает новые перспективы для будущего оптической связи. Он может позволить создание новых систем свободнопространственной связи с высокой скоростью передачи данных, которые не будут ограничены прямой видимостью между передатчиком и приемником, и которые смогут обеспечить бесперебойную связь в условиях сложной городской среды, где множество препятствий могут блокировать оптический сигнал. Кроме того, новый метод может позволить множество приложений в области безопасности, робототехники и носимых устройств, включая передачу энергии к мобильным устройствам за пределами препятствий или видение объектов, зажатых между препятствиями. Например, с помощью нового метода можно передавать изображения или видео с камер, установленных на беспилотных летательных аппаратах или роботах, которые могут исследовать недоступные или опасные места, такие как здания, разрушенные в результате стихийных бедствий, или туннели, залитые водой. Также, с помощью нового метода можно передавать энергию к носимым устройствам, таким как смартфоны или часы, которые могут быть заряжены без проводов и без необходимости вынимать их из кармана или сумки.
В заключение, новый метод передачи оптической информации вокруг произвольно формированных непрозрачных препятствий или стен, разработанный командой UCLA, является прорывом в области оптической связи, который может решить одну из основных проблем, с которой сталкиваются современные системы свободнопространственной связи — наличие непрозрачных преград или стен на пути между передатчиком и приемником. Этот метод позволяет передавать оптическую информацию, например, изображения, вокруг больших и динамически изменяющихся непрозрачных препятствий, используя цифровое кодирование на передатчике и дифракционное всё-оптическое декодирование на приемнике. Этот метод имеет высокую эффективность и качество передачи информации, устойчив к неизвестным изменениям в канале связи, и работает в широком диапазоне частот оптического спектра. Этот метод открывает новые перспективы для будущего оптической связи, которая не будет ограничена прямой видимостью, и которая сможет обеспечить бесперебойную связь в условиях сложной городской среды, а также множество приложений в области безопасности, робототехники и носимых устройств.