Funksignale Bild versteckte und schnelle Objekte

Forscher haben eine Methode zur Verwendung von Funksignalen entwickelt, um Echtzeitbilder und -videos von versteckten und sich bewegenden Objekten zu erstellen. Das System ermöglicht die Echtzeit-Bildgebung um Ecken und durch Wände sowie die Verfolgung von sich schnell bewegenden Objekten wie millimetergroßem Weltraumschrott, der mit 20.000 Meilen pro Stunde fliegt – alles aus großer Entfernung.

Das Bildgebungsverfahren ist eine Variation des Radars, das einen elektromagnetischen Impuls sendet, auf die Reflexionen wartet und die Umlaufzeit misst, um die Entfernung zu einem Ziel zu bestimmen. Multi-Site-Radar hat normalerweise einen Sender und mehrere Empfänger, die Echos empfangen und sie triangulieren, um ein Objekt zu lokalisieren. Die neue Methode – m-Widar genannt – verwendet mehrere Sender und einen Empfänger.

Das Team demonstrierte die Technik in einer echofreien (nicht echofreien) Kammer und machte Bilder einer 3D-Szene, in der sich eine Person hinter einer Trockenwand bewegte. Die Sendeleistung entsprach 12 Mobiltelefonen, die gleichzeitig Signale sendeten, um Bilder des Ziels aus einer Entfernung von etwa 10 Metern (30 Fuß) durch die Wandtafel zu erzeugen. Das aktuelle System hat eine potenzielle Reichweite von bis zu mehreren Kilometern. Mit einigen Verbesserungen könnte die Reichweite viel größer sein, begrenzt nur durch Sendeleistung und Empfängerempfindlichkeit.

Die grundlegende Technik ist eine Form der computergestützten Bildgebung, die als transientes Rendering bekannt ist und seit 2008 als Bildrekonstruktionswerkzeug verwendet wird. Die Idee besteht darin, eine kleine Stichprobe von Signalmessungen zu verwenden, um Bilder basierend auf zufälligen Mustern und Korrelationen zu rekonstruieren. Die Technik wurde zuvor in der Kommunikationscodierung und Netzwerkverwaltung, beim maschinellen Lernen und einigen fortgeschrittenen Formen der Bildgebung verwendet.

Lesen Sie ein Q&A mit dem Forscher

Fabio da Silva spricht mit Tech Briefs über m-Widar.

Die neue Technik kombiniert Signalverarbeitungs- und Modellierungstechniken aus anderen Bereichen, um eine neue mathematische Formel zur Rekonstruktion von Bildern zu erstellen. Jeder Sender sendet gleichzeitig verschiedene Impulsmuster in einer bestimmten Art von Zufallsfolge aus, die räumlich und zeitlich mit den Impulsen der anderen Sender interferieren und genügend Informationen erzeugen, um ein Bild zu erstellen.

Die Sendeantennen arbeiteten mit Frequenzen von 200 Megahertz bis 10 Gigahertz, etwa der oberen Hälfte des Funkspektrums, zu dem auch Mikrowellen gehören. Der Empfänger bestand aus zwei Antennen, die mit einem Signaldigitalisierer verbunden waren. Die digitalisierten Daten wurden auf einen Laptop-Computer übertragen und auf die Grafikverarbeitungseinheit hochgeladen, um die Bilder zu rekonstruieren. Das Team nutzte die Methode, um eine Szene mit 1,5 Milliarden Samples pro Sekunde zu rekonstruieren, einer entsprechenden Bildwiederholfrequenz von 366 Kilohertz (frames per second). Im Vergleich dazu sind das etwa 100- bis 1.000-mal mehr Bilder pro Sekunde als bei einer Handy-Videokamera.

Mit 12 Antennen erzeugte das System 4096-Pixel-Bilder mit einer Auflösung von etwa 10 Zentimetern über eine 10-Meter-Szene. Diese Bildauflösung kann nützlich sein, wenn Vertraulichkeit oder Datenschutz ein Problem darstellen. Die Auflösung könnte verbessert werden, indem das System unter Verwendung vorhandener Technologie aufgerüstet wird, einschließlich mehr Sendeantennen und schnellerer Zufallssignalgeneratoren und Digitalisierer. Zukünftig könnten die Bilder durch Quantenverschränkung verbessert werden, bei der die Eigenschaften einzelner Funksignale miteinander verknüpft würden.

Die neue Bildgebungstechnik könnte auch angepasst werden, um sichtbares Licht anstelle von Funksignalen zu übertragen – ultraschnelle Laser könnten die Bildauflösung erhöhen, würden aber die Fähigkeit verlieren, Wände zu durchdringen – oder Schallwellen, die für Sonar- und Ultraschallbildgebungsanwendungen verwendet werden. Neben der Bildgebung von Notfallsituationen und Weltraumschrott könnte die neue Methode auch zur Messung der Geschwindigkeit von Schockwellen, einer Schlüsselmetrik für die Bewertung von Sprengstoffen, und zur Überwachung von Vitalfunktionen wie Herzfrequenz und Atmung eingesetzt werden.