Радиосигналы отображают скрытые и ускоряющиеся объекты

Исследователи разработали метод использования радиосигналов для создания изображений и видео скрытых и движущихся объектов в режиме реального времени. Система позволяет в режиме реального времени получать изображения за углами и сквозь стены, а также отслеживать быстро движущиеся объекты, такие как космический мусор миллиметрового размера, летящий со скоростью 20 000 миль в час, — и все это с удаленных расстояний.

Метод визуализации представляет собой разновидность радара, который посылает электромагнитный импульс, ожидает отражения и измеряет время прохождения туда и обратно, чтобы определить расстояние до цели. Многопозиционный радар обычно имеет один передатчик и несколько приемников, которые принимают эхо-сигналы и триангулируют их для определения местоположения объекта. Новый метод, называемый m-Widar, использует несколько передатчиков и один приемник.

Команда продемонстрировала технику в безэховой (безэховой) камере, сделав изображения 3D-сцены с участием человека, движущегося за гипсокартоном. Мощность передатчика была эквивалентна 12 мобильным телефонам, одновременно посылающим сигналы для создания изображения цели с расстояния около 10 метров (30 футов) через настенную панель. Текущая система имеет потенциальную дальность действия до нескольких километров. С некоторыми улучшениями диапазон может быть намного больше, ограниченный только мощностью передатчика и чувствительностью приемника.

Базовым методом является форма вычислительной визуализации, известная как переходный рендеринг, который используется в качестве инструмента реконструкции изображений с 2008 года. Идея состоит в том, чтобы использовать небольшую выборку измерений сигнала для реконструкции изображений на основе случайных закономерностей и корреляций. Этот метод ранее использовался в кодировании сообщений и управлении сетями, машинном обучении и некоторых продвинутых формах обработки изображений.

Прочитайте вопросы и ответы с исследователем

Фабио да Силва беседует с Техническими бюллетенями о м-Видар.

Новый метод сочетает в себе методы обработки сигналов и моделирования из других областей, чтобы создать новую математическую формулу для реконструкции изображений. Каждый передатчик одновременно излучает разные последовательности импульсов в определенной случайной последовательности, которые интерферируют в пространстве и времени с импульсами от других передатчиков и производят достаточно информации для построения изображения.

Передающие антенны работали на частотах от 200 мегагерц до 10 гигагерц, что примерно соответствует верхней половине радиоспектра, включая микроволны. Приемник состоял из двух антенн, подключенных к дигитайзеру сигналов. Оцифрованные данные были переданы на портативный компьютер и загружены в графический процессор для восстановления изображений. Команда использовала этот метод для реконструкции сцены с 1,5 миллиардами выборок в секунду, что соответствует частоте кадров изображения 366 килогерц (кадров в секунду). Для сравнения, это от 100 до 1000 раз больше кадров в секунду, чем у видеокамеры мобильного телефона.

С 12 антеннами система генерировала изображения размером 4096 пикселей с разрешением около 10 сантиметров на 10-метровой сцене. Это разрешение изображения может быть полезно, когда речь идет о чувствительности или конфиденциальности. Разрешение может быть улучшено за счет модернизации системы с использованием существующей технологии, включая большее количество передающих антенн и более быстрые генераторы случайных сигналов и дигитайзеры. В будущем изображения можно будет улучшить с помощью квантовой запутанности, при которой свойства отдельных радиосигналов станут взаимосвязанными.

Новый метод визуализации также может быть адаптирован для передачи видимого света вместо радиосигналов — сверхбыстрые лазеры могут повысить разрешение изображения, но потеряют способность проникать через стены — или звуковых волн, используемых для приложений сонара и ультразвуковой визуализации. Помимо визуализации чрезвычайных ситуаций и космического мусора, новый метод можно также использовать для измерения скорости ударных волн, ключевого показателя для оценки взрывчатых веществ, а также для мониторинга показателей жизнедеятельности, таких как частота сердечных сокращений и дыхание.