Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och Wavsens LLC har utvecklat en metod för att använda radiosignaler för att skapa realtidsbilder och videor av dolda och rörliga föremål, som kan hjälpa brandmän att hitta flyktvägar eller offer i byggnader fyllda med eld och rök. Tekniken kan också hjälpa till att spåra hypersoniska föremål som missiler och rymdskräp.

Den nya metoden, beskrivs i Naturkommunikation , kan ge viktig information för att minska antalet dödsfall och skador. Att lokalisera och spåra räddningspersonal inomhus är ett främsta mål för allmänheten. Hundratusentals bitar av kretsande rymdskräp anses vara farliga för människor och rymdfarkoster.

"Vårt system tillåter realtidsbilder runt hörn och genom väggar och spårning av snabbrörliga föremål som millimeterstora rymdskräp som flyger i 10 kilometer per sekund, mer än 20, 000 miles per timme, allt från fristående avstånd, sa fysikern Fabio da Silva, som ledde utvecklingen av systemet medan han arbetade på NIST.

"Eftersom vi använder radiosignaler, de går igenom nästan allt, som betong, gipsvägg, trä och glas, " tillade da Silva. "Det är ganska coolt eftersom vi inte bara kan titta bakom väggar, men det tar bara några mikrosekunders data att göra en bildram. Provtagningen sker med ljusets hastighet, så snabbt som fysiskt möjligt."

NIST-bildmetoden är en variant av radar, som sänder en elektromagnetisk puls, väntar på reflektionerna, och mäter tiden fram och tillbaka för att bestämma avståndet till ett mål. Multisite radar har vanligtvis en sändare och flera mottagare som tar emot ekon och triangulerar dem för att lokalisera ett objekt.

"Vi utnyttjade multisite radarkonceptet men i vårt fall använder vi många sändare och en mottagare, " sa da Silva. "På det sättet, allt som reflekteras var som helst i rymden, vi kan lokalisera och avbilda."

Da Silva förklarar avbildningsprocessen så här:"För att avbilda en byggnad, den faktiska volymen av intresse är mycket mindre än volymen på själva byggnaden eftersom det mestadels är tomt utrymme med glesa saker i den. För att hitta en person, du skulle dela upp byggnaden i en matris av kuber. Vanligtvis, du skulle sända radiosignaler till varje kub individuellt och analysera reflektionerna, vilket är väldigt tidskrävande. Däremot, NIST -metoden sonderar alla kuber samtidigt och använder retureko från, säga, 10 av 100 kuber för att räkna ut var personen är. Alla sändningar kommer att returnera en bild, med signalerna som bildar ett mönster och de tomma kuberna faller ut."

Da Silva har ansökt om patent, och han lämnade nyligen NIST för att kommersialisera systemet under namnet m-Widar (mikrovågsbilddetektering, analys och intervall) genom ett nystartat företag, Wavsens LLC (Westminster, Colorado).

NIST-teamet demonstrerade tekniken i en ekofri (icke-ekande) kammare, göra bilder av en 3D-scen där en person rör sig bakom gipsskivor. Sändareffekten motsvarade att 12 mobiltelefoner skickade signaler samtidigt för att skapa bilder av målet från ett avstånd av cirka 10 meter (30 fot) genom väggskivan.

Da Silva sa att det nuvarande systemet har en potentiell räckvidd på upp till flera kilometer. Med vissa förbättringar kan räckvidden vara mycket längre, begränsas endast av sändareffekt och mottagarkänslighet, han sa.

Grundtekniken är en form av beräkningsmässig bildbehandling som kallas transient rendering, som har funnits som ett bildrekonstruktionsverktyg sedan 2008. Tanken är att använda ett litet urval av signalmätningar för att rekonstruera bilder utifrån slumpmässiga mönster och korrelationer. Tekniken har tidigare använts inom kommunikationskodning och nätverkshantering, maskininlärning och vissa avancerade former av bildbehandling.

Da Silva kombinerade signalbehandlings- och modelleringstekniker från andra områden för att skapa en ny matematisk formel för att rekonstruera bilder. Varje sändare avger olika pulsmönster samtidigt, i en specifik typ av slumpmässig sekvens, som interfererar i rum och tid med pulserna från de andra sändarna och producerar tillräckligt med information för att bygga en bild.

Sändningsantennerna fungerade vid frekvenser från 200 megahertz till 10 gigahertz, ungefär den övre halvan av radiospektrumet, som inkluderar mikrovågor. Mottagaren bestod av två antenner anslutna till en signaldigitaliserare. Den digitaliserade datan överfördes till en bärbar dator och laddades upp till grafikprocessorn för att rekonstruera bilderna.

NIST-teamet använde metoden för att rekonstruera en scen med 1,5 miljarder prover per sekund, en motsvarande bildrutehastighet på 366 kilohertz (bilder per sekund). Som jämförelse, det här är ungefär 100 till 1, 000 gånger fler bilder per sekund än en mobiltelefonkamera.

Med 12 antenner, NIST-systemet genererade 4096-pixelbilder, med en upplösning på cirka 10 centimeter över en 10 meter lång scen. Denna bildupplösning kan vara användbar när känslighet eller integritet är ett problem. Dock, upplösningen skulle kunna förbättras genom att uppgradera systemet med hjälp av befintlig teknik, inklusive fler sändarantenner och snabbare slumpsignalgeneratorer och digitaliserare.

I framtiden, bilderna skulle kunna förbättras genom att använda kvantentanglement, där egenskaperna hos enskilda radiosignaler skulle kopplas samman. Intrassling kan förbättra känsligheten. Radiofrekventa kvantbelysningsscheman kan öka mottagningskänsligheten.

Den nya bildtekniken kan också anpassas för att sända synligt ljus istället för radiosignaler – ultrasnabba lasrar kan öka bildupplösningen men skulle förlora förmågan att penetrera väggar – eller ljudvågor som används för ekolods- och ultraljudsavbildningstillämpningar.

Förutom avbildning av nödsituationer och rymdskräp, den nya metoden kan också användas för att mäta hastigheten för stötvågor, ett nyckelmått för att utvärdera sprängämnen, och för att övervaka vitala tecken som hjärtfrekvens och andning, sa da Silva.