我們什么時(shí)候才能攻破穿墻透視技術(shù)？

看《超人》漫畫(huà)和電影時(shí)，我們都會(huì)對(duì)超人的X射線(xiàn)透視眼留下深刻印象。這種超能力讓超人一眼看穿了蝙蝠俠的真實(shí)身份，他幾乎可以把周?chē)氖澜绫M收眼底“一覽無(wú)余”。

如果科技可以實(shí)現(xiàn)類(lèi)似這種科幻的暢想，那將帶來(lái)非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。比如，地震發(fā)生后，房屋倒塌，大廈變成瓦礫，人和動(dòng)物可能不幸被掩埋在廢墟中。這種情況下，救援人員都會(huì)拼命地在廢墟中尋找生命的跡象。想象一下，如果救援人員能“透視”瓦礫，發(fā)現(xiàn)廢墟之下的幸存者，測(cè)量他們的生命體征，甚至直接產(chǎn)生受害者的圖像，這將帶來(lái)質(zhì)的改變。

事實(shí)上，這樣的現(xiàn)實(shí)或許離我們并沒(méi)有那么遙遠(yuǎn)。借助“穿墻透視雷達(dá)技術(shù)”，這很快將成為可能。早期版本的技術(shù)能夠顯示一個(gè)人是否在房間里，它已經(jīng)投入使用了數(shù)年，還有一些技術(shù)能夠在某些特定條件下測(cè)量出生命體征的信號(hào)。

Aly Fathy是一名研究電磁通信和成像系統(tǒng)的電氣工程師。他和其他一些工程師正借助高速計(jì)算機(jī)、新型算法和能夠收集大量數(shù)據(jù)的雷達(dá)收發(fā)器，讓現(xiàn)實(shí)中的技術(shù)更接近超人那種“透視眼”的效果。

這項(xiàng)新興技術(shù)能夠確定墻體或障礙物后面有多少人，他們?cè)谀睦?，可能攜帶著什么物品，在軍事用途中，它甚至可以確定他們可能穿著什么類(lèi)型的護(hù)甲。

“Radar”（雷達(dá)）原本是“RAdio Detection And Ranging”（無(wú)線(xiàn)電探測(cè)與測(cè)距）的縮寫(xiě)。和手機(jī)一樣，雷達(dá)使用的也是電磁波，它利用無(wú)線(xiàn)電波發(fā)送以光速傳播的信號(hào)。如果信號(hào)遇見(jiàn)物體，比如一架飛機(jī)，它就會(huì)被反射回接收器，在一定的延時(shí)后，雷達(dá)的屏幕上就能看到反射回來(lái)的波，這就可以用來(lái)估計(jì)物體的位置。

1842年，奧地利物理學(xué)家克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler）描述了一種現(xiàn)在被稱(chēng)為“多普勒效應(yīng)”的現(xiàn)象，它說(shuō)的是，信號(hào)頻率的變化與信號(hào)源的速度和方向有關(guān)。一個(gè)簡(jiǎn)單的例子就是救護(hù)車(chē)向你駛來(lái)，經(jīng)過(guò)你身邊隨后遠(yuǎn)離時(shí)，你能感覺(jué)到它的警報(bào)聲調(diào)發(fā)生變化。

多普勒雷達(dá)正是利用這種效應(yīng)來(lái)比較發(fā)射和反射信號(hào)的頻率，從而確定移動(dòng)物體的方向和速度，比如雷雨和超速的汽車(chē)。多普勒效應(yīng)可用于檢測(cè)微小的運(yùn)動(dòng)，包括心跳和呼吸相關(guān)的胸腔運(yùn)動(dòng)。在這種情況下，多普勒雷達(dá)會(huì)向人體發(fā)射信號(hào)，反射的信號(hào)因吸入或呼出動(dòng)作而不同，甚至?xí)蛐穆识a(chǎn)生差異。因此，這項(xiàng)技術(shù)能夠準(zhǔn)確地測(cè)量這些生命體征。

當(dāng)波遇見(jiàn)實(shí)心墻體（比如石膏墻或木墻）時(shí)，其中一部分會(huì)從表面反射回來(lái)，而剩下的一部分則能穿過(guò)墻壁，特別是相對(duì)低頻的無(wú)線(xiàn)電。如果發(fā)射的波遇到了金屬物體或者人體時(shí)，它就可以被完全反射回來(lái)，因?yàn)槿梭w的含水率很高，具有很強(qiáng)的反射性。

當(dāng)雷達(dá)接收器足夠靈敏（當(dāng)然要比普通雷達(dá)接收器要靈敏得多）時(shí)，它就可以接收到穿過(guò)墻壁的反射信號(hào)。使用成熟的信號(hào)處理技術(shù)，過(guò)濾掉墻體和家具等靜態(tài)物體的反射，就能分離出人們真正感興趣的信號(hào)，比如有關(guān)人的位置等各種有用信息。

利用雷達(dá)追蹤墻壁另一側(cè)的物體，關(guān)鍵是要有非常靈敏的天線(xiàn)，可以接收到被大幅減弱的反射無(wú)線(xiàn)電波。| 圖片來(lái)源：Abdel-Kareem Moadi， CC BY-ND

以往，雷達(dá)技術(shù)在協(xié)助災(zāi)害管理和執(zhí)法方面的能力一直有限，因?yàn)樗鼪](méi)有足夠的計(jì)算能力和速度，過(guò)濾掉樹(shù)葉或碎石等復(fù)雜環(huán)境中的背景噪聲，并生成實(shí)時(shí)圖像。

但如今，雷達(dá)傳感器有能力收集和處理大量數(shù)據(jù)，即使在惡劣的環(huán)境中也能做到，并且能夠生成目標(biāo)的高分辨率圖像。通過(guò)復(fù)雜的算法，它們可以近實(shí)時(shí)地顯示數(shù)據(jù)。這需要高速的計(jì)算機(jī)處理器快速處理大量數(shù)據(jù)，它還需要能快速傳輸數(shù)據(jù)的寬帶電路，從而提高圖像的分辨率。

毫米波無(wú)線(xiàn)技術(shù)的最新發(fā)展，從5G到5G+甚至更高配置，可能有助于進(jìn)一步改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，利用更寬的帶寬提供更高分辨率的圖像。無(wú)線(xiàn)技術(shù)還將加快數(shù)據(jù)處理時(shí)間，大大減少了延遲。

Fathy的實(shí)驗(yàn)室正在開(kāi)發(fā)遠(yuǎn)程描繪墻壁電氣特征的高速方法，這有助于校準(zhǔn)雷達(dá)波并優(yōu)化天線(xiàn)，使波更容易穿過(guò)墻壁，將墻壁的阻礙降到最低。團(tuán)隊(duì)還開(kāi)發(fā)了軟件和硬件系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)雷達(dá)系統(tǒng)的大數(shù)據(jù)近實(shí)時(shí)分析。

目前，由于天線(xiàn)尺寸的限制，能夠做到穿墻透視的低頻雷達(dá)系統(tǒng)通常是“龐然大物”。電磁信號(hào)的波長(zhǎng)與天線(xiàn)的大小有關(guān)，科學(xué)家一直努力將穿墻透視雷達(dá)技術(shù)推向更高的頻率，以便建造更小、更便攜的系統(tǒng)。

這些穿墻透視雷達(dá)能追蹤個(gè)體的運(yùn)動(dòng)以及心跳和呼吸頻率。這項(xiàng)技術(shù)還可用于從遠(yuǎn)處確定建筑物的整體布局，甚至可以深入墻體內(nèi)部確認(rèn)管道和電線(xiàn)的位置，并且探測(cè)隱藏的武器和餌雷。

除了為災(zāi)難應(yīng)對(duì)、執(zhí)法和軍方提供工具外，這項(xiàng)技術(shù)還可用于監(jiān)測(cè)老年人，或者從病房外獲得感染性疾?。ū热鏑OVID-19）患者的生命體征。

未來(lái)，人們同樣希望它能與更多技術(shù)結(jié)合。比如，甚至有人在研究一種穿墻透視的雷達(dá)，它可以生成足夠精確的人臉圖像，供面部識(shí)別系統(tǒng)進(jìn)行精準(zhǔn)識(shí)別。這樣一來(lái)，人們可能真正擁有了“超人”的力量。

編輯：jq