Echtzeit-Radiobasierte Bildgebung: Erkennung versteckter & hochgeschwindiger Objekte aus der Ferne

Forscher haben eine Methode entwickelt, um Funksignale zur Erstellung von Echtzeit-Bildern und -Videos versteckter und bewegter Objekte zu nutzen. Das System ermöglicht Echtzeit-Bildgebung um Ecken und durch Wände hindurch sowie das Verfolgen von schnell bewegten Objekten wie millimetergroßen Weltraumtrümmern, die mit 20.000 Meilen pro Stunde fliegen – alles aus Sicherheitsabstand.

Die Bildgebungsmethode ist eine Variation von Radar, das einen elektromagnetischen Impuls sendet, auf Reflexionen wartet und die Laufzeit misst, um die Entfernung zu einem Ziel zu bestimmen. Multi-Site-Radar hat normalerweise einen Sender und mehrere Empfänger, die Echos empfangen und diese triangulieren, um ein Objekt zu orten. Die neue Methode – genannt m-Widar – verwendet mehrere Sender und einen Empfänger.

Das Team demonstrierte die Technik in einer schalltoten (nicht-echenden) Kammer, indem es Bilder einer 3D-Szene mit einer Person erstellte, die sich hinter Trockenbauwänden bewegt. Die Senderleistung entsprach 12 Mobiltelefonen, die gleichzeitig Signale senden, um Bilder des Ziels aus einer Entfernung von etwa 10 Metern (30 Fuß) durch die Wand zu erstellen. Das aktuelle System hat eine potenzielle Reichweite von bis zu mehreren Kilometern. Mit einigen Verbesserungen könnte die Reichweite viel weiter sein, nur begrenzt durch Senderleistung und Empfängerempfindlichkeit.

Die Grundtechnik ist eine Form des computergestützten Imaging, bekannt als Transient Rendering, das seit 2008 als Bildrekonstruktionswerkzeug existiert. Die Idee ist, eine kleine Stichprobe von Signalmessungen zu verwenden, um Bilder basierend auf zufälligen Mustern und Korrelationen zu rekonstruieren. Die Technik wurde zuvor in Kommunikationskodierung und Netzwerkmanagement, maschinellem Lernen und einigen fortgeschrittenen Imaging-Formen eingesetzt.

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 Bildrekonstruktion zu erstellen. Jeder Sender sendet gleichzeitig unterschiedliche Impulsmuster in einer spezifischen Art zufälliger Sequenz, die im Raum und in der Zeit mit den Impulsen der anderen Sender interferieren und genügend Informationen erzeugen, um ein Bild aufzubauen.

Die Sendeantennen arbeiteten mit Frequenzen von 200 Megahertz bis 10 Gigahertz, etwa die obere Hälfte des Funkfrequenzspektrums, was Mikrowellen einschließt. Der Empfänger bestand aus zwei Antennen, die an einen Signaldigitalisierer angeschlossen waren. Die digitalisierten Daten wurden an 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 Bildrate von 366 Kilohertz (Bilder pro Sekunde). Zum Vergleich: Das ist etwa 100- bis 1.000-mal mehr Bilder pro Sekunde als eine 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 Sensitivität oder Privatsphäre ein Anliegen sind. Die Auflösung könnte durch Aufrüsten des Systems mit bestehender Technologie verbessert werden, einschließlich mehr Sendeantennen und schnellerer Zufallssignalgeneratoren und Digitalisierer. In Zukunft 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 statt Funksignale zu übertragen – Ultrakurzlaser könnten die Bildauflösung erhöhen, würden aber die Fähigkeit verlieren, Wände zu durchdringen – oder Schallwellen für Sonar- und Ultraschall-Bildgebungsanwendungen. Zusätzlich zur Bildgebung von Notfallsituationen und Weltraumtrümmern könnte die neue Methode auch verwendet werden, um die Geschwindigkeit von Schockwellen zu messen, eine Schlüsselmetrik zur Bewertung von Sprengstoffen, und um Vitalzeichen wie Herzfrequenz und Atmung zu überwachen.