看《超人》漫畫和電影時,穿墻我們都會對超人的透視X射線透視眼留下深刻印象。這種超能力讓超人一眼看穿了蝙蝠俠的技術真實身份,他幾乎可以把周圍的離們世界盡收眼底“一覽無余”。
如果科技可以實現類似這種科幻的還遠暢想,那將帶來非常重要的穿墻現實意義。比如,透視地震發生后,技術房屋倒塌,離們大廈變成瓦礫,還遠人和動物可能不幸被掩埋在廢墟中。穿墻這種情況下,透視救援人員都會拼命地在廢墟中尋找生命的技術跡象。想象一下,離們如果救援人員能“透視”瓦礫,還遠發現廢墟之下的幸存者,測量他們的生命體征,甚至直接產生受害者的圖像,這將帶來質的改變。
事實上,這樣的現實或許離我們并沒有那么遙遠。借助“穿墻透視雷達技術”,這很快將成為可能。早期版本的技術能夠顯示一個人是否在房間里,它已經投入使用了數年,還有一些技術能夠在某些特定條件下測量出生命體征的信號。
Aly Fathy是一名研究電磁通信和成像系統的電氣工程師。他和其他一些工程師正借助高速計算機、新型算法和能夠收集大量數據的雷達收發器,讓現實中的技術更接近超人那種“透視眼”的效果。
這項新興技術能夠確定墻體或障礙物后面有多少人,他們在哪里,可能攜帶著什么物品,在軍事用途中,它甚至可以確定他們可能穿著什么類型的護甲。
“Radar”(雷達)原本是“RAdio Detection And Ranging”(無線電探測與測距)的縮寫。和手機一樣,雷達使用的也是電磁波,它利用無線電波發送以光速傳播的信號。如果信號遇見物體,比如一架飛機,它就會被反射回接收器,在一定的延時后,雷達的屏幕上就能看到反射回來的波,這就可以用來估計物體的位置。
1842年,奧地利物理學家克里斯蒂安·多普勒(Christian Doppler)描述了一種現在被稱為“多普勒效應”的現象,它說的是,信號頻率的變化與信號源的速度和方向有關。一個簡單的例子就是救護車向你駛來,經過你身邊隨后遠離時,你能感覺到它的警報聲調發生變化。
多普勒雷達正是利用這種效應來比較發射和反射信號的頻率,從而確定移動物體的方向和速度,比如雷雨和超速的汽車。多普勒效應可用于檢測微小的運動,包括心跳和呼吸相關的胸腔運動。在這種情況下,多普勒雷達會向人體發射信號,反射的信號因吸入或呼出動作而不同,甚至會因心率而產生差異。因此,這項技術能夠準確地測量這些生命體征。
當波遇見實心墻體(比如石膏墻或木墻)時,其中一部分會從表面反射回來,而剩下的一部分則能穿過墻壁,特別是相對低頻的無線電。如果發射的波遇到了金屬物體或者人體時,它就可以被完全反射回來,因為人體的含水率很高,具有很強的反射性。
當雷達接收器足夠靈敏(當然要比普通雷達接收器要靈敏得多)時,它就可以接收到穿過墻壁的反射信號。使用成熟的信號處理技術,過濾掉墻體和家具等靜態物體的反射,就能分離出人們真正感興趣的信號,比如有關人的位置等各種有用信息。
圖片 利用雷達追蹤墻壁另一側的物體,關鍵是要有非常靈敏的天線,可以接收到被大幅減弱的反射無線電波。| 圖片來源:Abdel-Kareem Moadi, CC BY-ND
以往,雷達技術在協助災害管理和執法方面的能力一直有限,因為它沒有足夠的計算能力和速度,過濾掉樹葉或碎石等復雜環境中的背景噪聲,并生成實時圖像。
但如今,雷達傳感器有能力收集和處理大量數據,即使在惡劣的環境中也能做到,并且能夠生成目標的高分辨率圖像。通過復雜的算法,它們可以近實時地顯示數據。這需要高速的計算機處理器快速處理大量數據,它還需要能快速傳輸數據的寬帶電路,從而提高圖像的分辨率。
毫米波無線技術的最新發展,從5G到5G+甚至更高配置,可能有助于進一步改進這項技術,利用更寬的帶寬提供更高分辨率的圖像。無線技術還將加快數據處理時間,大大減少了延遲。
Fathy的實驗室正在開發遠程描繪墻壁電氣特征的高速方法,這有助于校準雷達波并優化天線,使波更容易穿過墻壁,將墻壁的阻礙降到最低。團隊還開發了軟件和硬件系統,來實現雷達系統的大數據近實時分析。
圖片 實驗室的穿墻雷達技術比如今的商業系統提供了更多細節。| 圖片來源:Aly Fathy
目前,由于天線尺寸的限制,能夠做到穿墻透視的低頻雷達系統通常是“龐然大物”。電磁信號的波長與天線的大小有關,科學家一直努力將穿墻透視雷達技術推向更高的頻率,以便建造更小、更便攜的系統。
這些穿墻透視雷達能追蹤個體的運動以及心跳和呼吸頻率。這項技術還可用于從遠處確定建筑物的整體布局,甚至可以深入墻體內部確認管道和電線的位置,并且探測隱藏的武器和餌雷。
除了為災難應對、執法和軍方提供工具外,這項技術還可用于監測老年人,或者從病房外獲得感染性疾病(比如COVID-19)患者的生命體征。
未來,人們同樣希望它能與更多技術結合。比如,甚至有人在研究一種穿墻透視的雷達,它可以生成足夠精確的人臉圖像,供面部識別系統進行精準識別。這樣一來,人們可能真正擁有了“超人”的力量。
#創作團隊:
原文作者:Aly Fathy(田納西大學電氣工程教授)
編譯:M?ka
#參考來源:
//theconversation.com/fast-computers-5g-networks-and-radar-that-passes-through-walls-are-bringing-x-ray-vision-closer-to-reality-156476
#圖片來源:
封面圖:Marcella Cheng/The Conversation, CC BY-NC-ND
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