看《超人》漫畫和電影時，我們都會對超人的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真實身份，他幾乎可以把周圍的世界盡收眼底“一覽無余”。

如果科技可以實現(xiàn)類似這種科幻的暢想，那將帶來非常重要的現(xiàn)實意義。比如，地震發(fā)生后，房屋倒塌，大廈變成瓦礫，人和動物可能不幸被掩埋在廢墟中。這種情況下，救援人員都會拼命地在廢墟中尋找生命的跡象。想象一下，如果救援人員能“透視”瓦礫，發(fā)現(xiàn)廢墟之下的幸存者，測量他們的生命體征，甚至直接產(chǎn)生受害者的圖像，這將帶來質(zhì)的改變。

事實上，這樣的現(xiàn)實或許離我們并沒有那么遙遠(yuǎn)。借助“穿墻透視雷達技術(shù)”，這很快將成為可能。早期版本的技術(shù)能夠顯示一個人是否在房間里，它已經(jīng)投入使用了數(shù)年，還有一些技術(shù)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(tǒng)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(shù)據(jù)的雷達收發(fā)器，讓現(xiàn)實中的技術(shù)更接近超人那種“透視眼”的效果。

這項新興技術(shù)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(fā)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(xué)家克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler）描述了一種現(xiàn)在被稱為“多普勒效應(yīng)”的現(xiàn)象，它說的是，信號頻率的變化與信號源的速度和方向有關(guān)。一個簡單的例子就是救護車向你駛來，經(jīng)過你身邊隨后遠(yuǎn)離時，你能感覺到它的警報聲調(diào)發(fā)生變化。

多普勒雷達正是利用這種效應(yīng)來比較發(fā)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(yīng)可用于檢測微小的運動，包括心跳和呼吸相關(guān)的胸腔運動。在這種情況下，多普勒雷達會向人體發(fā)射信號，反射的信號因吸入或呼出動作而不同，甚至?xí)蛐穆识a(chǎn)生差異。因此，這項技術(shù)能夠準(zhǔn)確地測量這些生命體征。

當(dāng)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(fā)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(dāng)雷達接收器足夠靈敏（當(dāng)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(shù)，過濾掉墻體和家具等靜態(tài)物體的反射，就能分離出人們真正感興趣的信號，比如有關(guān)人的位置等各種有用信息。

利用雷達追蹤墻壁另一側(cè)的物體，關(guān)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(shù)在協(xié)助災(zāi)害管理和執(zhí)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(fù)雜環(huán)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(shù)據(jù)，即使在惡劣的環(huán)境中也能做到，并且能夠生成目標(biāo)的高分辨率圖像。通過復(fù)雜的算法，它們可以近實時地顯示數(shù)據(jù)。這需要高速的計算機處理器快速處理大量數(shù)據(jù)，它還需要能快速傳輸數(shù)據(jù)的寬帶電路，從而提高圖像的分辨率。

毫米波無線技術(shù)的最新發(fā)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(shù)，利用更寬的帶寬提供更高分辨率的圖像。無線技術(shù)還將加快數(shù)據(jù)處理時間，大大減少了延遲。

Fathy的實驗室正在開發(fā)遠(yuǎn)程描繪墻壁電氣特征的高速方法，這有助于校準(zhǔn)雷達波并優(yōu)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(fā)了軟件和硬件系統(tǒng)，來實現(xiàn)雷達系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)近實時分析。

實驗室的穿墻雷達技術(shù)比如今的商業(yè)系統(tǒng)提供了更多細(xì)節(jié)。| 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(tǒng)通常是“龐然大物”。電磁信號的波長與天線的大小有關(guān)，科學(xué)家一直努力將穿墻透視雷達技術(shù)推向更高的頻率，以便建造更小、更便攜的系統(tǒng)。

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(shù)還可用于從遠(yuǎn)處確定建筑物的整體布局，甚至可以深入墻體內(nèi)部確認(rèn)管道和電線的位置，并且探測隱藏的武器和餌雷。

除了為災(zāi)難應(yīng)對、執(zhí)法和軍方提供工具外，這項技術(shù)還可用于監(jiān)測老年人，或者從病房外獲得感染性疾?。ū热鏑OVID-19）患者的生命體征。

未來，人們同樣希望它能與更多技術(shù)結(jié)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(tǒng)進行精準(zhǔn)識別。這樣一來，人們可能真正擁有了“超人”的力量。

#創(chuàng)作團隊：

原文作者：Aly Fathy（田納西大學(xué)電氣工程教授）

編譯：M?ka

#參考來源：

https://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

本文轉(zhuǎn)載自公眾號“原理”


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