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穿墙透视技术离我们还远吗?

时间: 2021年06月08日 | 作者: Aly Fathy | 来源: 原理
借助“穿墙透视雷达技术”,X射线透视眼这种超能力很快将成为可能。



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看《超人》漫画和电影时,我们都会对超人的X射线透视眼留下深刻印象。这种超能力让超人一眼看穿了蝙蝠侠的真实身份,他几乎可以把周围的世界尽收眼底“一览无余”。


如果科技可以实现类似这种科幻的畅想,那将带来非常重要的现实意义。比如,地震发生后,房屋倒塌,大厦变成瓦砾,人和动物可能不幸被掩埋在废墟中。这种情况下,救援人员都会拼命地在废墟中寻找生命的迹象。想象一下,如果救援人员能“透视”瓦砾,发现废墟之下的幸存者,测量他们的生命体征,甚至直接产生受害者的图像,这将带来质的改变。


事实上,这样的现实或许离我们并没有那么遥远。借助“穿墙透视雷达技术”,这很快将成为可能。早期版本的技术能够显示一个人是否在房间里,它已经投入使用了数年,还有一些技术能够在某些特定条件下测量出生命体征的信号。


Aly Fathy是一名研究电磁通信和成像系统的电气工程师。他和其他一些工程师正借助高速计算机、新型算法和能够收集大量数据的雷达收发器,让现实中的技术更接近超人那种“透视眼”的效果。


这项新兴技术能够确定墙体或障碍物后面有多少人,他们在哪里,可能携带着什么物品,在军事用途中,它甚至可以确定他们可能穿着什么类型的护甲。


“Radar”(雷达)原本是“RAdio Detection And Ranging”(无线电探测与测距)的缩写。和手机一样,雷达使用的也是电磁波,它利用无线电波发送以光速传播的信号。如果信号遇见物体,比如一架飞机,它就会被反射回接收器,在一定的延时后,雷达的屏幕上就能看到反射回来的波,这就可以用来估计物体的位置。


1842年,奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler)描述了一种现在被称为“多普勒效应”的现象,它说的是,信号频率的变化与信号源的速度和方向有关。一个简单的例子就是救护车向你驶来,经过你身边随后远离时,你能感觉到它的警报声调发生变化。


多普勒雷达正是利用这种效应来比较发射和反射信号的频率,从而确定移动物体的方向和速度,比如雷雨和超速的汽车。多普勒效应可用于检测微小的运动,包括心跳和呼吸相关的胸腔运动。在这种情况下,多普勒雷达会向人体发射信号,反射的信号因吸入或呼出动作而不同,甚至会因心率而产生差异。因此,这项技术能够准确地测量这些生命体征。


当波遇见实心墙体(比如石膏墙或木墙)时,其中一部分会从表面反射回来,而剩下的一部分则能穿过墙壁,特别是相对低频的无线电。如果发射的波遇到了金属物体或者人体时,它就可以被完全反射回来,因为人体的含水率很高,具有很强的反射性。


当雷达接收器足够灵敏(当然要比普通雷达接收器要灵敏得多)时,它就可以接收到穿过墙壁的反射信号。使用成熟的信号处理技术,过滤掉墙体和家具等静态物体的反射,就能分离出人们真正感兴趣的信号,比如有关人的位置等各种有用信息。


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图片 利用雷达追踪墙壁另一侧的物体,关键是要有非常灵敏的天线,可以接收到被大幅减弱的反射无线电波。| 图片来源:Abdel-Kareem Moadi, CC BY-ND


以往,雷达技术在协助灾害管理和执法方面的能力一直有限,因为它没有足够的计算能力和速度,过滤掉树叶或碎石等复杂环境中的背景噪声,并生成实时图像。


但如今,雷达传感器有能力收集和处理大量数据,即使在恶劣的环境中也能做到,并且能够生成目标的高分辨率图像。通过复杂的算法,它们可以近实时地显示数据。这需要高速的计算机处理器快速处理大量数据,它还需要能快速传输数据的宽带电路,从而提高图像的分辨率。


毫米波无线技术的最新发展,从5G到5G+甚至更高配置,可能有助于进一步改进这项技术,利用更宽的带宽提供更高分辨率的图像。无线技术还将加快数据处理时间,大大减少了延迟。


Fathy的实验室正在开发远程描绘墙壁电气特征的高速方法,这有助于校准雷达波并优化天线,使波更容易穿过墙壁,将墙壁的阻碍降到最低。团队还开发了软件和硬件系统,来实现雷达系统的大数据近实时分析。


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图片 实验室的穿墙雷达技术比如今的商业系统提供了更多细节。| 图片来源:Aly Fathy


目前,由于天线尺寸的限制,能够做到穿墙透视的低频雷达系统通常是“庞然大物”。电磁信号的波长与天线的大小有关,科学家一直努力将穿墙透视雷达技术推向更高的频率,以便建造更小、更便携的系统。


这些穿墙透视雷达能追踪个体的运动以及心跳和呼吸频率。这项技术还可用于从远处确定建筑物的整体布局,甚至可以深入墙体内部确认管道和电线的位置,并且探测隐藏的武器和饵雷。


除了为灾难应对、执法和军方提供工具外,这项技术还可用于监测老年人,或者从病房外获得感染性疾病(比如COVID-19)患者的生命体征。


未来,人们同样希望它能与更多技术结合。比如,甚至有人在研究一种穿墙透视的雷达,它可以生成足够精确的人脸图像,供面部识别系统进行精准识别。这样一来,人们可能真正拥有了“超人”的力量。


#创作团队:

原文作者:Aly Fathy(田纳西大学电气工程教授)

编译:Måka

#参考来源:

https://theconversation.com/fast-computers-5g-networks-and-radar-that-passes-through-walls-are-bringing-x-ray-vision-closer-to-reality-156476

#图片来源:

封面图:Marcella Cheng/The Conversation, CC BY-NC-ND