Новый метод, описанный в Nature Communications, может предоставить важную информацию, которая поможет снизить смертность и травмы. Обнаружение и отслеживание сотрудников службы экстренного реагирования в помещении – главная цель сообщества общественной безопасности. Сотни тысяч единиц космического мусора, находящегося на орбите, считаются опасными для человека и космических кораблей.
«Наша система позволяет в реальном времени получать изображения вокруг углов и сквозь стены, а также отслеживать быстро движущиеся объекты, такие как космический мусор миллиметрового размера, летящий со скоростью 10 километров в секунду, более 20 000 миль в час, и все это с удаленного расстояния», – сказал физик Фабио. да Силва, который руководил разработкой системы во время работы в NIST.
«Поскольку мы используем радиосигналы, они проходят почти через все, включая бетон, гипсокартон, дерево и стекло», – добавил да Силва. "Это довольно круто, потому что мы не только можем заглядывать за стены, но и для создания кадра изображения требуется всего несколько микросекунд данных. Отбор проб происходит со скоростью света, настолько быстро, насколько это возможно физически."
Метод визуализации NIST – это разновидность радара, который посылает электромагнитный импульс, ожидает отражений и измеряет время прохождения туда и обратно для определения расстояния до цели. Многопозиционный радар обычно имеет один передатчик и несколько приемников, которые принимают эхо-сигналы и триангулируют их для определения местоположения объекта.
«Мы использовали концепцию радара с несколькими площадками, но в нашем случае используем множество передатчиков и один приемник», – сказал да Силва. "Таким образом, мы сможем найти и отобразить все, что отражается в любом месте космоса."
Да Силва объясняет процесс визуализации следующим образом:
Чтобы изобразить здание, действительный интересующий объем намного меньше, чем объем самого здания, потому что это в основном пустое пространство с редкими предметами в нем. Чтобы найти человека, вам нужно разделить здание на матрицу из кубов.
Обычно вы передаете радиосигналы каждому кубу индивидуально и анализируете отражения, что отнимает очень много времени. Напротив, метод NIST проверяет все кубы одновременно и использует ответное эхо, скажем, от 10 из 100 кубов, чтобы вычислить, где находится человек. Все передачи будут возвращать изображение, при этом сигналы образуют узор, а пустые кубики выпадают.
Да Силва подал заявку на патент и недавно покинул NIST, чтобы коммерциализировать систему под названием m-Widar (обнаружение, анализ и ранжирование микроволновых изображений) через новую компанию Wavsens LLC (Вестминстер, Колорадо).
Команда NIST продемонстрировала эту технику в безэховой (безэховой) камере, сделав изображения трехмерной сцены с участием человека, движущегося за гипсокартоном. Мощность передатчика была эквивалентна 12 сотовым телефонам, одновременно посылающим сигналы для создания изображений цели с расстояния около 10 метров (30 футов) через настенный экран.
Да Силва сказал, что у нынешней системы есть потенциальная дальность действия до нескольких километров.
По его словам, с некоторыми улучшениями диапазон может быть намного больше, ограниченный только мощностью передатчика и чувствительностью приемника.
Базовый метод – это форма вычислительной визуализации, известная как переходный рендеринг, которая используется как инструмент реконструкции изображений с 2008 года. Идея состоит в том, чтобы использовать небольшую выборку измерений сигнала для восстановления изображений на основе случайных шаблонов и корреляций.
Этот метод ранее использовался в кодировании коммуникаций и управлении сетью, машинном обучении и некоторых продвинутых формах визуализации.
Да Силва объединил методы обработки сигналов и моделирования из других областей, чтобы создать новую математическую формулу для восстановления изображений. Каждый передатчик одновременно излучает разные шаблоны импульсов в определенной случайной последовательности, которые интерферируют в пространстве и времени с импульсами от других передатчиков и производят достаточно информации для построения изображения.
Передающие антенны работали на частотах от 200 мегагерц до 10 гигагерц, примерно в верхней половине радиочастотного спектра, который включает микроволны.
Приемник состоял из двух антенн, подключенных к дигитайзеру сигнала. Оцифрованные данные были переданы на портативный компьютер и загружены в графический процессор для восстановления изображений.
Команда NIST использовала этот метод для реконструкции сцены с 1.5 миллиардов отсчетов в секунду, соответствующая частота кадров изображения 366 килогерц (кадров в секунду). Для сравнения, это примерно в 100-1000 раз больше кадров в секунду, чем у видеокамеры мобильного телефона.
С 12 антеннами система NIST генерировала 4096-пиксельные изображения с разрешением около 10 сантиметров на 10-метровой сцене. Это разрешение изображения может быть полезно, когда важна конфиденциальность или конфиденциальность.
Однако разрешение можно улучшить, модернизировав систему с использованием существующей технологии, включая большее количество передающих антенн и более быстрые генераторы случайных сигналов и дигитайзеры.
В будущем изображения можно будет улучшить, используя квантовую запутанность, при которой свойства отдельных радиосигналов станут взаимосвязанными. Запутывание может улучшить чувствительность. Схемы радиочастотного квантового освещения могут повысить чувствительность приема.
Новый метод визуализации также может быть адаптирован для передачи видимого света вместо радиосигналов – сверхбыстрые лазеры могут повысить разрешение изображения, но потеряют способность проникать через стены – или звуковые волны, используемые для сонаров и ультразвуковых изображений.
По словам да Силва, помимо визуализации аварийных ситуаций и космического мусора, новый метод может также использоваться для измерения скорости ударных волн, ключевого показателя для оценки взрывчатых веществ, а также для мониторинга жизненно важных показателей, таких как частота сердечных сокращений и дыхание.