Radiosignalen Afbeelding verborgen en versnellende objecten

Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld om met radiosignalen realtime afbeeldingen en video's van verborgen en bewegende objecten te maken. Het systeem maakt real-time beeldvorming rond hoeken en door muren mogelijk, evenals het volgen van snel bewegende objecten zoals ruimteschroot van millimeters dat met een snelheid van 20.000 mijl per uur vliegt - allemaal vanaf impasse afstanden.

De beeldvormingsmethode is een variatie op radar, die een elektromagnetische puls verzendt, wacht op de reflecties en de retourtijd meet om de afstand tot een doel te bepalen. Multi-site radar heeft meestal één zender en meerdere ontvangers die echo's ontvangen en trianguleren om een ​​object te lokaliseren. De nieuwe methode — m-Widar genaamd — maakt gebruik van meerdere zenders en één ontvanger.

Het team demonstreerde de techniek in een echovrije (niet-echoerende) kamer, waarbij ze beelden maakten van een 3D-scène waarbij een persoon achter een gipsplaat beweegt. Het zendvermogen was gelijk aan 12 mobiele telefoons die gelijktijdig signalen uitzonden om beelden van het doelwit te maken vanaf een afstand van ongeveer 10 meter (30 voet) door de muurplaat. Het huidige systeem heeft een potentieel bereik tot enkele kilometers. Met enkele verbeteringen zou het bereik veel groter kunnen zijn, alleen beperkt door het vermogen van de zender en de gevoeligheid van de ontvanger.

De basistechniek is een vorm van computationele beeldvorming die bekend staat als transient rendering en die al sinds 2008 bestaat als hulpmiddel voor beeldreconstructie. Het idee is om een ​​kleine steekproef van signaalmetingen te gebruiken om beelden te reconstrueren op basis van willekeurige patronen en correlaties. De techniek is eerder gebruikt in communicatiecodering en netwerkbeheer, machine learning en sommige geavanceerde vormen van beeldvorming.

Lees een vraag en antwoord met de onderzoeker

Fabio da Silva praat met Tech Briefs over m-Widar.

De nieuwe techniek combineert signaalverwerkings- en modelleringstechnieken uit andere velden om een ​​nieuwe wiskundige formule te creëren om beelden te reconstrueren. Elke zender zendt tegelijkertijd verschillende pulspatronen uit in een specifiek type willekeurige volgorde die in ruimte en tijd interfereren met de pulsen van de andere zenders en voldoende informatie produceren om een ​​beeld op te bouwen.

De zendantennes werkten op frequenties van 200 megahertz tot 10 gigahertz, ongeveer de bovenste helft van het radiospectrum, dat microgolven omvat. De ontvanger bestond uit twee antennes aangesloten op een signaaldigitizer. De gedigitaliseerde gegevens werden overgebracht naar een laptopcomputer en geüpload naar de grafische verwerkingseenheid om de afbeeldingen te reconstrueren. Het team gebruikte de methode om een ​​scène te reconstrueren met 1,5 miljard samples per seconde, een corresponderende beeldframesnelheid van 366 kilohertz (frames per seconde). Ter vergelijking:dit is ongeveer 100 tot 1.000 keer meer frames per seconde dan een videocamera van een mobiele telefoon.

Met 12 antennes genereerde het systeem 4096-pixelafbeeldingen met een resolutie van ongeveer 10 centimeter over een scène van 10 meter. Deze beeldresolutie kan handig zijn wanneer gevoeligheid of privacy een probleem is. De resolutie kan worden verbeterd door het systeem te upgraden met behulp van bestaande technologie, waaronder meer zendantennes en snellere generatoren voor willekeurige signalen en digitizers. In de toekomst zouden de beelden verbeterd kunnen worden door gebruik te maken van kwantumverstrengeling, waarbij de eigenschappen van individuele radiosignalen met elkaar verbonden zouden raken.

De nieuwe beeldvormingstechniek zou ook kunnen worden aangepast om zichtbaar licht te verzenden in plaats van radiosignalen - ultrasnelle lasers zouden de beeldresolutie kunnen verhogen, maar zouden niet meer in muren kunnen doordringen - of geluidsgolven die worden gebruikt voor sonar- en ultrasone beeldvormingstoepassingen. Naast beeldvorming van noodsituaties en ruimteafval, kan de nieuwe methode ook worden gebruikt om de snelheid van schokgolven te meten, een belangrijke maatstaf voor het evalueren van explosieven, en om vitale functies zoals hartslag en ademhaling te bewaken.