Metode bruger radiosignaler til at afbilde skjulte objekter, der kører hurtigere

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) og Wavsens LLC har udviklet en metode til at bruge radiosignaler til at skabe realtidsbilleder og videoer af skjulte og bevægelige objekter, som kunne hjælpe brandmænd med at finde flugtveje eller ofre inde i bygninger fyldt med ild og røg. Teknikken kan også hjælpe med at spore hypersoniske objekter som missiler og rumaffald.

Den nye metode, beskrevet i Naturkommunikation , kunne give kritisk information for at hjælpe med at reducere dødsfald og kvæstelser. Lokalisering og sporing af førstehjælpere indendørs er et primært mål for samfundet for offentlig sikkerhed. Hundredtusindvis af stykker af kredsende rumskrot anses for at være farlige for mennesker og rumfartøjer.

"Vores system tillader billeddannelse i realtid rundt om hjørner og gennem vægge og sporing af objekter i hurtig bevægelse, såsom rumaffald i millimeterstørrelse, der flyver med 10 kilometer i sekundet, mere end 20, 000 miles i timen, alt fra distanceafstande, "sagde fysikeren Fabio da Silva, der ledede udviklingen af ​​systemet, mens han arbejdede hos NIST.

"Fordi vi bruger radiosignaler, de går igennem næsten alt, som beton, gipsvæg, træ og glas, " tilføjede da Silva. "Det er ret fedt, fordi vi ikke kun kan se bag vægge, men det tager kun et par mikrosekunder data at lave en billedramme. Prøvetagningen sker med lysets hastighed, så hurtigt som fysisk muligt. "

NIST billeddannelsesmetoden er en variation af radar, som sender en elektromagnetisk puls, venter på refleksionerne, og måler rundturstiden for at bestemme afstanden til et mål. Multisite radar har normalt en sender og flere modtagere, der modtager ekkoer og triangulerer dem for at lokalisere et objekt.

"Vi udnyttede multisite-radarkonceptet, men i vores tilfælde bruger vi masser af sendere og en modtager, " sagde da Silva. "På den måde, alt, der reflekterer overalt i rummet, vi er i stand til at lokalisere og afbilde."

Da Silva forklarer billeddannelsesprocessen sådan:"For at afbilde en bygning, den faktiske mængde af interesse er meget mindre end volumen af ​​selve bygningen, fordi det for det meste er tomt rum med sparsomme ting i det. For at finde en person, du ville opdele bygningen i en matrix af terninger. Normalt, du ville sende radiosignaler til hver terning individuelt og analysere refleksionerne, hvilket er meget tidskrævende. Derimod NIST-metoden sonderer alle kuber på samme tid og bruger returekkoet fra, sige, 10 ud af 100 kuber for at beregne, hvor personen er. Alle transmissioner returnerer et billede, med signalerne, der danner et mønster, og de tomme terninger falder ud."

Da Silva har ansøgt om patent, og han forlod for nylig NIST for at kommercialisere systemet under navnet m-Widar (mikrobølgebilleddetektering, analyse og rækkevidde) gennem en nystartet virksomhed, Wavsens LLC (Westminster, Colorado).

NIST-holdet demonstrerede teknikken i et ekkofrit (ikke-ekkoende) kammer, at lave billeder af en 3D-scene, der involverer en person, der bevæger sig bag gipsplader. Sendereffekten svarede til, at 12 mobiltelefoner sendte signaler samtidigt for at skabe billeder af målet fra en afstand på omkring 10 meter (30 fod) gennem vægpladen.

Da Silva sagde, at det nuværende system har en potentiel rækkevidde på op til flere kilometer. Med nogle forbedringer kunne rækkevidden være meget længere, kun begrænset af sendereffekt og modtagerfølsomhed, han sagde.

Den grundlæggende teknik er en form for computational imaging kendt som transient rendering, som har eksisteret som et billedrekonstruktionsværktøj siden 2008. Ideen er at bruge et lille udsnit af signalmålinger til at rekonstruere billeder baseret på tilfældige mønstre og korrelationer. Teknikken er tidligere blevet brugt i kommunikationskodning og netværksstyring, maskinlæring og nogle avancerede former for billeddannelse.

Da Silva kombinerede signalbehandlings- og modelleringsteknikker fra andre felter for at skabe en ny matematisk formel til at rekonstruere billeder. Hver sender udsender forskellige pulsmønstre samtidigt, i en bestemt type tilfældig rækkefølge, som interfererer i rum og tid med pulserne fra de andre sendere og producerer nok information til at bygge et billede.

Sendeantennerne fungerede ved frekvenser fra 200 megahertz til 10 gigahertz, omkring den øvre halvdel af radiospektret, som inkluderer mikrobølger. Modtageren bestod af to antenner forbundet med en signaldigitalisering. De digitaliserede data blev overført til en bærbar computer og uploadet til grafikbehandlingsenheden for at rekonstruere billederne.

NIST-holdet brugte metoden til at rekonstruere en scene med 1,5 milliarder prøver i sekundet, en tilsvarende billedrammehastighed på 366 kilohertz (billeder pr. sekund). Til sammenligning, det er omkring 100 til 1, 000 gange flere billeder i sekundet end et mobiltelefonvideokamera.

Med 12 antenner, NIST-systemet genererede 4096-pixel billeder, med en opløsning på omkring 10 centimeter på tværs af en 10 meter lang scene. Denne billedopløsning kan være nyttig, når følsomhed eller privatliv er et problem. Imidlertid, opløsningen kunne forbedres ved at opgradere systemet ved hjælp af eksisterende teknologi, herunder flere sendeantenner og hurtigere tilfældige signalgeneratorer og digitaliseringsapparater.

I fremtiden, billederne kunne forbedres ved at bruge kvanteforviklinger, hvor egenskaberne af individuelle radiosignaler ville blive indbyrdes forbundne. Sammenfiltring kan forbedre følsomheden. Radiofrekvente kvantebelysningsskemaer kunne øge modtagelsens følsomhed.

Den nye billedbehandlingsteknik kunne også tilpasses til at transmittere synligt lys i stedet for radiosignaler - ultrahurtige lasere kunne øge billedopløsningen, men ville miste evnen til at trænge ind i vægge - eller lydbølger, der bruges til sonar- og ultralydsbilleddannelsesapplikationer.

Ud over billeddannelse af nødsituationer og rumaffald, den nye metode kan også bruges til at måle hastigheden af ​​stødbølger, en vigtig metrik til vurdering af sprængstoffer og til at overvåge vitale tegn såsom hjertefrekvens og respiration, sagde da Silva.