Лазерный мир

Американские инженеры предложили использовать поверхности с катафотным отражающим покрытием, в том числе дорожные знаки, в качестве датчиков умного города. Для этого они предлагают светить на такие поверхности лазером и по изменению светимости отслеживать их колебания, по сути выполняя роль акселерометра. Это позволяет отслеживать различные события, для которых сегодня применяют множество отдельных датчиков, к примеру, трафик автомобилей на улицах или прибытие автобуса на остановку. Статья была представлена на конференции CHI 2021.

Многие аспекты «жизни» современного города, особенно касающиеся транспорта, отслеживаются с помощью огромного количества датчиков. К примеру, в некоторых российских городах используются светофоры, которые переключаются в соответствии с плотностью трафика, рассчитываемой в реальном времени по данным с системы видеоконтроля. Также контроль трафика полезен для урбанистов и специалистам по планированию движения на улицах, чтобы понимать загруженность улиц в течение времени. Подобных примеров существует довольно много и для каждого из них необходимы датчики, которые могут быть недорогими, но вместе с установкой и обслуживанием обходятся довольно дорого.

Криса Харрисон (Chris Harrison) вместе с коллегами из Университета Карнеги — Меллона предложил заменить специальные датчики для отслеживания тех или иных уличных процессов на лазерную виброметрию. При этом методе лазерный луч посылается на интересующий объект, отражается от него и отражение считывается фотодетектором. Если во время измерения на поверхности объекта возникают механические колебания, отраженный сигнал будет меняться в соответствии с ними. Совпадение механических колебаний с изменением светимости отраженного луча настолько велико, что это позволяет даже подслушивать разговоры на расстоянии.

Если использовать лазерную виброметрию с обычными повседневными объектами, то расстояние для надежного обнаружения колебаний в сигнале, как правило, составляет несколько метров. Если же использовать катафоты или другие поверхности, адаптированные для направленного отражения в обратную сторону, дальность значительно увеличивается. Ключевая идея авторов работы заключается в том, что метод можно реализовать, имея только лазерную установку и используя дорожные знаки, в которых практически всегда используется катафотное покрытие, «подсвечивающее» знак светом автомобильных фар.

Инженеры провели расчеты для пяти городов в США, Великобритании, Германии и Китае, и выяснили, что средняя плотность катафотных поверхностей (имеется в виду один объект с таким покрытием, например, дорожный знак, шлагбаум с светоотражающей полосой и тому подобное) составляет около семи тысяч на квадратный километр.

Установка, которую использовали авторы, состоит из лазерного блока и подвижной платформы. Платформа может поворачиваться и наклоняться с точностью 0,00625 градуса, что дает смещение пятна луча в один сантиметр на расстоянии 100 метров. Лазерная установка состоит из фотодетектора, лазерного дальномера и отдельного 200 милливаттного лазерного излучателя с длиной волны 650 нанометров. Сам по себе излучатель относится к опасному классу лазеров (3B), однако авторы снизили его опасность до допустимой тремя способами: расфокусировали и тем самым уменьшили опасную для глаз дистанцию до 46 сантиметров, установили длительность импульса равной 50 микросекунд и решили размещать установку в возвышенных местах, чтобы снизить вероятность зрительного контакта с излучателем.

Компоненты установки Yang Zhang et al. / CHI 2021

Инженеры разработали метод калибровки установки перед началом работы. После размещения установка начинает сканировать пространство, поворачиваясь на 0,05 градуса и проходя таким образом все интересующее поле обзора ряд за рядом. В каждой точке сначала дальномер измеряет расстояние, затем фотодетектор измеряет нормальный уровень освещенности, после чего лазер производит импульс и фотодетектор замеряет отраженный свет. После сканирования по данным дальномера составляется карта глубины, которая затем позволяет нормализовать и данные об освещенности с учетом удаленности, после чего алгоритм отсеивает все пиксели ниже порогового значения и обнаруживает отражающие поверхности. Когда сканирование выполнено, установка может измерять колебания на обнаруженных отражателях, концентрируясь на одном из них или переключаясь между ними при помощи поворотной платформы.

Сканирование территории и обнаружение отражателей Yang Zhang et al. / CHI 2021

Авторы протестировали установку, разместив в багажнике минивена большую колонку для создания колебаний. На центр колонки они по очереди наклеивали 16 разных светоотражающих элементов, встречающихся в городе. Размещение в минивене позволило им отъезжать и менять расстояние от лазера. Подавая на динамик разные сигналы (синусоидальный и с качающейся частотой), увеличивая расстояние до 512 метров и меняя угол, они убедились, что установка способна восстанавливать сигнал в таких условиях и с разными отражателями.

Разработчики предложили и показали различные практические применения системы, в том числе обнаружение приезда автобуса на остановку, подсчет трафика, определения типа автомобиля по вибрациям двигателя на номерном знаке, определение занятости парковочного места и другие. В прошлом году инженеры научились использовать виброметрию, чтобы подслушивать разговоры в комнате по свечению лампы.

Григорий Копиев

Источник: https://nplus1.ru/news/2021/05/24/vibrosight