Real-time radio-gebaseerde imaging: detecteren verborgen en hoog-snelheids objecten op afstand

Onderzoekers hebben een methode ontwikkeld voor het gebruik van radiosignalen om real-time beelden en video's te creëren van verborgen en bewegende objecten. Het systeem stelt real-time imaging rond hoeken en door muren heen toe alsook tracking van snel bewegende objecten zoals millimeter-grote ruimtepuin die vliegt met 20.000 mijl per uur — allemaal vanaf stand-off afstanden.

De imagingmethode is een variatie op radar, dat een elektromagnetische puls uitzendt, wacht op de reflecties, en de heen-en-weer-tijd 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 — genaamd m-Widar — gebruikt meerdere zenders en één ontvanger.

Het team demonstreerde de techniek in een anechoïsche (niet-echoende) kamer, waarbij beelden gemaakt werden van een 3D-scène met een persoon die achter droogwand bewgt. De zendervermogen was equivalent aan 12 mobiele telefoons die tegelijkertijd signalen zonden om beelden van het doel op een afstand van ongeveer 10 meter (30 voet) door de wandplank te creëren. Het huidige systeem heeft een potentieel bereik van tot enkele kilometers. Met enkele verbeteringen kan het bereik veel verder zijn, beperkt alleen door zendervermogen en ontvangergevoeligheid.

De basistechniek is een vorm van computationele imaging bekend als transient rendering, die sinds 2008 bestaat als een beeldreconstructie-tool. 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 imaging.

Lees een Q&A met de Onderzoeker

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

De nieuwe techniek combineert signaalverwerking en modeleringstechnieken uit andere velden om een nieuwe wiskundige formule te creëren om beelden te reconstrueren. Elke zender emiteert verschillende puls-patronen tegelijkertijd in een specifiek type willekeurige reeks die in ruimte en tijd interfereren met de pulsen van de andere zenders en voldoende informatie produceren om een beeld te bouwen.

De zendanten opereren op frequenties van 200 megahertz tot 10 gigahertz, ruwweg de bovenste helft van het radiospectrum, wat microgolven omvat. De ontvanger bestond uit twee antennes verbonden met een signaal-digitaliseerder. De gedigitaliseerde data werd overgebracht naar een laptop en geüpload naar de graphics processing unit om de beelden te reconstrueren. Het team gebruikte de methode om een scène te reconstrueren met 1,5 miljard monsters per seconde, een corresponderende beeldframe-rate van 366 kilohertz (frames per seconde). Als vergelijking, dit is ongeveer 100 tot 1.000 keer meer frames per seconde dan een mobiele telefoon videocamera.

Met 12 antennes genereerde het systeem 4096-pixel beelden met een resolutie van ongeveer 10 centimeter over een 10-meter scène. Deze beeldresolutie kan nuttig zijn wanneer gevoeligheid of privacy een zorg is. De resolutie kan verbeterd worden door het systeem te upgraden met bestaande technologie waaronder meer zendanten en snellere willekeurige signaalgeneratoren en digitaliseerders. In de toekomst kunnen de beelden verbeterd worden door kwantumverstrengeling te gebruiken, waarbij de eigenschappen van individuele radiosignalen miteinander verstrengeld raken.

De nieuwe imagingtechniek kan ook aangepast worden om zichtbaar licht in plaats van radiosignalen te transmitteren — ultra-snelle lasers kunnen de beeldresolutie verhogen, maar zouden de capaciteit verliezen om muren te penetreren — of geluidgolven gebruikt voor sonar en ultrasoon imaging toepassingen. Naast imaging van noodsituaties en ruimtepuin, kan de nieuwe methode ook gebruikt worden om de snelheid van schokgolven te meten, een cruciale maatstaf voor het evalueren van explosieven, en om vitale tekenen zoals hartslag en ademhaling te monitoren.