Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en Wavsens LLC hebben een methode ontwikkeld om radiosignalen te gebruiken om realtime afbeeldingen en video's te maken van verborgen en bewegende objecten, waarmee brandweerlieden vluchtroutes of slachtoffers kunnen vinden in gebouwen vol vuur en rook. De techniek kan ook helpen bij het volgen van hypersonische objecten zoals raketten en ruimtepuin.

De nieuwe methode, beschreven in Natuurcommunicatie , zou cruciale informatie kunnen opleveren om het aantal doden en gewonden te verminderen. Het lokaliseren en volgen van eerstehulpverleners binnenshuis is een belangrijk doel voor de openbare veiligheidsgemeenschap. Honderdduizenden stukken ruimteafval in een baan om de aarde worden als gevaarlijk beschouwd voor mens en ruimtevaartuig.

"Ons systeem maakt realtime beelden mogelijk rond hoeken en door muren en het volgen van snel bewegende objecten, zoals ruimteschroot van millimeters dat met een snelheid van 10 kilometer per seconde vliegt, meer dan 20, 000 mijl per uur, allemaal op afstand, " zei natuurkundige Fabio da Silva, die de ontwikkeling van het systeem leidde terwijl hij bij NIST werkte.

"Omdat we radiosignalen gebruiken, ze gaan door bijna alles, zoals beton, gipsplaat, hout en glas, " voegde da Silva eraan toe. "Het is best cool omdat we niet alleen achter muren kunnen kijken, maar het kost slechts een paar microseconden aan gegevens om een ​​afbeeldingsframe te maken. De bemonstering gebeurt met de snelheid van het licht, zo snel als fysiek mogelijk is."

De NIST-beeldvormingsmethode is een variatie op radar, die een elektromagnetische puls uitzendt, wacht op de reflecties, en meet de retourtijd om de afstand tot een doel te bepalen. Multisite-radar heeft meestal één zender en meerdere ontvangers die echo's ontvangen en trianguleren om een ​​object te lokaliseren.

"We hebben het multisite-radarconcept benut, maar in ons geval veel zenders en één ontvanger, " zei da Silva. "Op die manier, alles dat overal in de ruimte reflecteert, we kunnen lokaliseren en in beeld brengen."

Da Silva legt het beeldvormingsproces als volgt uit:"Om een ​​gebouw in beeld te brengen, het werkelijke volume van belang is veel kleiner dan het volume van het gebouw zelf, omdat het meestal lege ruimte is met weinig spullen erin. Om een ​​persoon te lokaliseren, je zou het gebouw in een matrix van kubussen verdelen. Gewoonlijk, je zou radiosignalen naar elke kubus afzonderlijk sturen en de reflecties analyseren, wat erg tijdrovend is. Daarentegen, de NIST-methode tast alle kubussen tegelijkertijd af en gebruikt de retourecho van, zeggen, 10 van de 100 kubussen om te berekenen waar de persoon is. Alle uitzendingen zullen een afbeelding retourneren, waarbij de signalen een patroon vormen en de lege blokjes eruit vallen."

Da Silva heeft patent aangevraagd, en hij verliet onlangs NIST om het systeem te commercialiseren onder de naam m-Widar (microgolfbeelddetectie, analyse en bereik) via een startend bedrijf, Wavsens LLC (Westminster, Colorado).

Het NIST-team demonstreerde de techniek in een echovrije (niet-echoende) kamer, beelden maken van een 3D-scène waarbij een persoon achter 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.

Da Silva zei dat het huidige systeem een ​​potentieel bereik van enkele kilometers heeft. Met enkele verbeteringen zou het bereik veel groter kunnen zijn, alleen beperkt door het vermogen van de zender en de gevoeligheid van de ontvanger, hij zei.

De basistechniek is een vorm van computationele beeldvorming die bekend staat als transiënte weergave, dat 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 bij communicatiecodering en netwerkbeheer, machine learning en enkele geavanceerde vormen van beeldvorming.

Da Silva combineerde 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 bepaald 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, ruwweg de bovenste helft van het radiospectrum, waaronder magnetrons. 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 NIST-team gebruikte de methode om een ​​scène te reconstrueren met 1,5 miljard samples per seconde, een overeenkomstige beeldframesnelheid van 366 kilohertz (frames per seconde). Ter vergelijking, dit is ongeveer 100 tegen 1, 000 keer meer frames per seconde dan een videocamera voor mobiele telefoons.

Met 12 antennes, het NIST-systeem genereerde 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. Echter, de resolutie kan worden verbeterd door het systeem te upgraden met behulp van bestaande technologie, inclusief meer zendantennes en snellere generatoren voor willekeurige signalen en digitizers.

In de toekomst, de beelden kunnen worden verbeterd door gebruik te maken van kwantumverstrengeling, waarin de eigenschappen van individuele radiosignalen met elkaar verbonden zouden raken. Verstrikking kan de gevoeligheid verbeteren. Radiofrequente kwantumverlichtingsschema's zouden de ontvangstgevoeligheid kunnen verhogen.

De nieuwe beeldvormingstechniek zou ook kunnen worden aangepast om zichtbaar licht in plaats van radiosignalen uit te zenden - ultrasnelle lasers zouden de beeldresolutie kunnen verhogen, maar zouden het vermogen verliezen om door muren te dringen - of geluidsgolven die worden gebruikt voor sonar- en ultrasone beeldvormingstoepassingen.

Naast het in beeld brengen van noodsituaties en ruimtepuin, de nieuwe methode kan 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 controleren, zei da Silva.