„Vederea cu raze X” mai aproape de realitate cu ajutorul calculatoarelor rapide, rețelelor 5G și radarelor

În doar câteva secunde cutremurele pot provoca distrugeri imense: Casele se dărâmă şi se transformă în moloz, iar oamenii sunt îngropaţi în resturi.

Imediat după un astfel de dezastru personalul de urgență caută cu disperare orice semn de viață în ceea ce a fost o casă sau un birou. Cu toate acestea, deseori descoperă că au săpat în moloz într-o direcţie greşită și a trecut un timp prețios.

Imaginați-vă cum ar fi dacă salvatorii ar putea vedea prin resturi pentru a identifica supraviețuitori sub dărâmături, măsurând semnele vitale și chiar generând imagini ale victimelor. Acest lucru devine posibil folosind o tehnologie radar prin care se poate „vedea” prin ziduri.

Primele versiuni ale tehnologiei care indică dacă o persoană este prezentă într-o cameră sunt folosite de câțiva ani, iar unele dintre ele pot măsura semnele vitale, deși în condiții mai bune decât prin dărâmături.

Cercetătorii sistemelor de comunicații și imagistică electromagnetică folosesc computere rapide, noi algoritmi și aparate de emisie-recepţie radar care colectează cantități mari de date prin care vederea cu ajutorul razelor X din literatura ştiinţifico-fantastică şi a cărților de benzi desenate devine realitate.

Această tehnologie emergentă va face posibilă determinarea numărului de persoane prezente în spatele unui perete și a poziției lor. Aceste radare prin care se poate „vedea” prin pereţi vor putea, de asemenea, să urmărească mișcările indivizilor, ritmul cardiac și cel respirator al acestora.

Tehnologia ar putea fi, de asemenea, utilizată pentru a determina, de la distanță, întregul aspect al unei clădiri, amplasarea țevilor și a cablurilor electrice din interiorul pereților, dar și prezenţa unor arme ascunse sau capcane.

Cum funcționează radarul

Radarul se bazează pe detecția undelor radio. Folosind unde radio, un radar trimite un semnal care se deplasează cu viteza luminii. Dacă semnalul lovește un obiect precum un avion, de exemplu, acesta este reflectat înapoi către un receptor și un ecou este observat pe ecranul radarului după o anumită întârziere. Acest ecou poate fi apoi utilizat pentru a estima locația obiectului.

În anul 1842, Christian Doppler, un fizician austriac, a descris un fenomen cunoscut acum ca efect Doppler sau deplasare Doppler, în care schimbarea frecvenței unui semnal este legată de viteza și direcția sursei semnalului.

În cazul efectului Doppler iniţial, semnalul a fost radiaţia electromagnetică emisă de un sistem stelar binar. Acest lucru este similar cu variaţia sunetului unei sirene pe măsură ce un vehicul de urgență se îndreaptă spre noi, trece pe lângă noi și apoi se îndepărtează.

Radarul Doppler folosește acest efect pentru a compara frecvențele semnalelor transmise și reflectate pentru a determina direcția și viteza obiectelor în mișcare, cum ar fi furtuni sau mașini care se deplasează cu viteză mare.

Efectul Doppler poate fi folosit pentru a detecta mișcări minuscule, inclusiv bătăile inimii și mișcarea pieptului asociată cu respirația. În aceste exemple, radarul Doppler trimite un semnal către corpul uman, iar semnalul reflectat diferă în funcție de inspiraţie sau expiraţie sau chiar pe baza ritmului cardiac al persoanei. Acest lucru permite tehnologiei să măsoare, cu precizie, aceste semne vitale.

Cum trec semnalele radarului prin pereți

La fel ca telefoanele mobile, radarele folosesc unde electromagnetice. Atunci când o undă lovește pereți solizi, cum ar fi gips-carton sau pereți din lemn, o parte din aceasta se reflectă de pe suprafață, iar restul se deplasează prin perete, mai ales la frecvențe radio relativ scăzute. Unda transmisă poate fi reflectată total înapoi dacă lovește un obiect metalic sau chiar un om, deoarece conținutul ridicat de apă al corpului uman îl face foarte reflectant.

Dacă receptorul radarului este suficient de sensibil, mult mai sensibil decât receptorii radar obișnuiți, el poate prelua semnalele care sunt reflectate înapoi prin perete. Folosind tehnici de procesare a semnalului bine stabilite, reflexiile de la obiecte statice, precum pereții și mobilierul, pot fi filtrate, permițând izolarea semnalului de interes, cum ar fi locația unei persoane.

Cheia utilizării radarului pentru urmărirea obiectelor de pe cealaltă parte a unui perete este de a avea o antenă foarte sensibilă care poate prelua undele radio reflectate. Credit: Abdel-Kareem Moadi, CC BY-ND

Transformarea datelor în imagini

Din punct de vedere istoric, tehnologia radar a fost limitată în ceea ce privește capacitatea sa de a ajuta la gestionarea dezastrelor și la aplicarea legii, deoarece nu a beneficiat de o suficientă putere de calcul sau de viteză pentru a filtra zgomotul de fundal din unele medii dificile, precum frunzișul sau molozul, în scopul producerii unor imagini live.

Cu toate acestea, în prezent senzorii radar pot colecta și procesa deseori cantități mari de date, chiar și în medii dure, generând imagini de înaltă rezoluție ale țintelor. Folosind algoritmi sofisticaţi, ei pot afișa datele aproape în timp real. Acest lucru necesită procesoare rapide de computer pentru a prelucra rapid aceste cantități mari de date și circuite în bandă largă care pot transmite rapid datele pentru a îmbunătăți rezoluția imaginilor.

Evoluțiile recente în tehnologia wireless cu unde milimetrice, de la 5G la 5G+ și mai mult, vor contribui, probabil, la îmbunătățirea în continuare a acestei tehnologii, oferind imagini cu rezoluție mai bună printr-o lățime de bandă mai mare. Tehnologia fără fir va accelera, de asemenea, timpii de procesare a datelor, deoarece reduce foarte mult latența, timpul dintre transmiterea și primirea datelor.

Laboratorul meu dezvoltă metode rapide pentru a analiza de la distanță caracteristicile electrice ale pereților, ceea ce ajută la calibrarea undelor radar și la optimizarea antenelor pentru a face undele să treacă mai ușor prin pereţi și, în esență, să facă peretele transparent pentru aceste unde. De asemenea, dezvoltăm sistemul din punct de vedere software și hardware pentru a efectua analize de date ale sistemelor radar aproape în timp real.

Acest radar de  laborator oferă mai multe detalii decât sistemele comerciale actuale. Credit: Aly Fathy

O electronică mai bună promite radare portabile

Sistemele radar la frecvențe joase care sunt necesare pentru a vedea prin pereți sunt voluminoase datorită dimensiunii mări a antenei. Lungimea de undă a semnalelor electromagnetice corespunde dimensiunii antenei. Oamenii de știință au mărit frecvența de lucru a acestor sisteme pentru a le miniaturiza și pentru a le face portabile.

În plus față de furnizarea unui instrument util pentru serviciile de urgență, forțele de ordine și armată, această tehnologie ar putea fi utilizată și pentru monitorizarea persoanelor în vârstă și pentru citirea semnelor vitale ale pacienților cu boli infecțioase, precum COVID-19, din afara unei camere de spital.

Un indiciu al potențialului acestui radar este interesul armatei SUA pentru o tehnologie prin care se pot crea hărți tridimensionale ale clădirilor și a ocupanților acestora, în aproape timp real, dar şi pentru un radar care poate crea imagini ale fețelor oamenilor suficient de precise pentru ca sistemele de recunoaștere facială să identifice persoanele din spatele zidurilor.

Traducere după Fast computers, 5G networks and radar that passes through walls are bringing ‘X-ray vision’ closer to reality