В течение нескольких секунд после достижения города землетрясения могут вызвать огромные разрушения: дома рушатся, высотные здания превращаются в руины, люди и животные погребаются в развалинах.
Сразу после такой бойни сотрудники службы спасения отчаянно ищут любые признаки жизни в том, что раньше было домом или офисом. Однако часто они обнаруживают, что копали не ту кучу щебня, и драгоценное время прошло.
Ключом к использованию радара для отслеживания объектов по другую сторону стены является наличие очень чувствительной антенны, которая может улавливать значительно ослабленные отраженные радиоволны. Предоставлено: Абдель-Карим Моади, CC BY-ND.
Представьте себе, если бы спасатели могли видеть сквозь обломки, чтобы находить выживших под завалами, измерять их жизненные показатели и даже создавать изображения жертв. Это быстро становится возможным благодаря использованию технологии радаров с прозрачными стенками. Ранние версии технологии, которая показывает, присутствует ли человек в комнате, использовались в течение нескольких лет, и некоторые из них могут измерять жизненно важные показатели, хотя и в лучших условиях, чем через завалы.
Я инженер-электрик , исследующий системы электромагнитной связи и визуализации. Я и другие использую быстрые компьютеры, новые алгоритмы и радиолокационные приемопередатчики, которые собирают большие объемы данных, чтобы сделать что-то гораздо более близкое к рентгеновскому видению научной фантастики и комиксов. Эта новая технология позволит определить, сколько людей находится за стеной или барьером, где они находятся, какие предметы они могут нести, а при полицейском или военном использовании — даже какой тип бронежилета они могут носить.
Эти прозрачные радары также смогут отслеживать движения людей, частоту сердечных сокращений и дыхания . Эту технологию также можно использовать для определения на расстоянии всей планировки здания, вплоть до расположения труб и проводов внутри стен, а также для обнаружения скрытого оружия и мин-ловушек.
Технология прозрачных стен разрабатывалась со времен холодной войны как способ заменить просверливание отверстий в стенах для шпионажа. Сегодня на рынке есть несколько коммерческих продуктов, например радар Range-R , который используется сотрудниками правоохранительных органов для отслеживания движения за стенами.
Как работает радар
Радар обозначает радиообнаружение и дальность. Используя радиоволны , радар посылает сигнал, который движется со скоростью света. Если сигнал попадает в объект, например, на самолет, он отражается обратно в сторону приемника, и на экране радара появляется эхо после определенной временной задержки. Затем это эхо-сигнал можно использовать для оценки местоположения объекта.
В 1842 году австрийский физик Кристиан Доплер описал явление, известное теперь как эффект Доплера или доплеровский сдвиг, когда изменение частоты сигнала связано со скоростью и направлением источника сигнала. В первоначальном случае Доплера это был свет двойной звездной системы. Это похоже на изменение высоты звука сирены, когда машина скорой помощи приближается к вам, проходит мимо вас и затем уходит. Доплеровский радар использует этот эффект для сравнения частот передаваемых и отраженных сигналов для определения направления и скорости движущихся объектов, таких как грозы и мчащиеся машины.
Эффект Доплера можно использовать для обнаружения крошечных движений, включая сердцебиение и движения грудной клетки, связанные с дыханием . В этих примерах доплеровский радар посылает сигнал в человеческое тело, и отраженный сигнал различается в зависимости от того, делает ли человек вдох или выдох, или даже в зависимости от частоты сердечных сокращений человека. Это позволяет технологии точно измерять эти жизненно важные функции.
Этот лабораторный радар, проникающий через стены, обеспечивает более подробную информацию, чем современные коммерческие системы. Предоставлено: Али Фати.
Как радар может проходить сквозь стены
Как и мобильные телефоны, радары используют электромагнитные волны . Когда волна ударяется о твердые стены, такие как гипсокартон или деревянные стены, часть ее отражается от поверхности. Но остальное проходит сквозь стену, особенно на относительно низких радиочастотах. Передаваемая волна может быть полностью отражена назад, если она попадает в металлический объект или даже на человека, потому что высокое содержание воды в человеческом теле делает его очень отражающим.
Если приемник радара достаточно чувствителен — намного более чувствителен, чем обычные приемники радара, — он может улавливать сигналы, которые отражаются обратно через стену. Используя хорошо зарекомендовавшие себя методы обработки сигналов, отражения от статических объектов, таких как стены и мебель, могут быть отфильтрованы, что позволяет изолировать интересующий сигнал — например, местоположение человека.
Превращение данных в изображения
Исторически сложилось так, что возможности радарных технологий по оказанию помощи в управлении бедствиями и правоохранительных органах были ограничены, потому что у них не было достаточной вычислительной мощности или скорости, чтобы отфильтровать фоновый шум от сложных сред, таких как листва или щебень, и создать живые изображения.
Однако сегодня радарные датчики часто могут собирать и обрабатывать большие объемы данных — даже в суровых условиях — и генерировать изображения целей с высоким разрешением. Используя сложные алгоритмы, они могут отображать данные почти в реальном времени. Это требует быстрых компьютерных процессоров для быстрой обработки этих больших объемов данных и широкополосных схем, которые могут быстро передавать данные для улучшения разрешения изображений.
Последние разработки в области беспроводной технологии миллиметрового диапазона , от 5G до 5G + и выше, вероятно, помогут еще больше улучшить эту технологию, обеспечивая изображения с более высоким разрешением за счет более широкой полосы пропускания на порядок. Беспроводная технология также ускорит время обработки данных, поскольку она значительно сокращает задержку, время между передачей и получением данных.
Моя лаборатория разрабатывает быстрые методы дистанционного определения электрических характеристик стен, которые помогают откалибровать радиолокационные волны и оптимизировать антенны, чтобы волны легче проходили через стену и, по сути, делали стену прозрачной для волн. Мы также разрабатываем программно-аппаратный комплекс для проведения анализа больших данных радарных систем в режиме, близком к реальному времени.
Лучшая электроника: портативные радары
Радиолокационные системы на низких частотах, обычно необходимые для просмотра сквозь стены, громоздки из-за большого размера антенны. Длина волны электромагнитных сигналов соответствует размеру антенны. Ученые продвигают технологию радаров с прозрачными стенками на более высокие частоты, чтобы создавать более компактные и портативные системы.
Помимо предоставления инструмента для служб экстренной помощи, правоохранительных органов и вооруженных сил, технология также может использоваться для наблюдения за пожилыми людьми и считывания показателей жизнедеятельности пациентов с инфекционными заболеваниями, такими как COVID-19, за пределами больничной палаты.
Одним из индикаторов потенциала радара с прозрачной стенкой является интерес армии США. Они ищут технологию, которая может создавать трехмерные карты зданий и их обитателей почти в реальном времени. Они даже ищут радар с прозрачной стеной, который может создавать изображения лиц людей, достаточно точные, чтобы системы распознавания лиц могли идентифицировать людей за стеной.
Независимо от того, смогут ли исследователи разработать радар с прозрачной стенкой, который достаточно чувствителен, чтобы различать людей по их лицам, технология, скорее всего, выйдет далеко за рамки капель на экране, чтобы дать первым респондентам нечто вроде сверхчеловеческих способностей.