“穿墙透视术”，离我们并没有那么遥远

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Aly Fathy（田纳西大学电气工程教授），编译：Måka，原文标题：《穿墙透视技术离我们还远吗？》，题图来自：Marcella Cheng/The Conversation, CC BY-NC-ND

一

看《超人》漫画和电影时，我们都会对超人的X射线透视眼留下深刻印象。这种超能力让超人一眼看穿了蝙蝠侠的真实身份，他几乎可以把周围的世界尽收眼底“一览无余”。

如果科技可以实现类似这种科幻的畅想，那将带来非常重要的现实意义。比如，地震发生后，房屋倒塌，大厦变成瓦砾，人和动物可能不幸被掩埋在废墟中。这种情况下，救援人员都会拼命地在废墟中寻找生命的迹象。想象一下，如果救援人员能“透视”瓦砾，发现废墟之下的幸存者，测量他们的生命体征，甚至直接产生受害者的图像，这将带来质的改变。

事实上，这样的现实或许离我们并没有那么遥远。借助“穿墙透视雷达技术”，这很快将成为可能。早期版本的技术能够显示一个人是否在房间里，它已经投入使用了数年，还有一些技术能够在某些特定条件下测量出生命体征的信号。

Aly Fathy是一名研究电磁通信和成像系统的电气工程师。他和其他一些工程师正借助高速计算机、新型算法和能够收集大量数据的雷达收发器，让现实中的技术更接近超人那种“透视眼”的效果。

这项新兴技术能够确定墙体或障碍物后面有多少人，他们在哪里，可能携带着什么物品，在军事用途中，它甚至可以确定他们可能穿着什么类型的护甲。

二

“Radar”（雷达）原本是“RAdio Detection And Ranging”（无线电探测与测距）的缩写。和手机一样，雷达使用的也是电磁波，它利用无线电波发送以光速传播的信号。如果信号遇见物体，比如一架飞机，它就会被反射回接收器，在一定的延时后，雷达的屏幕上就能看到反射回来的波，这就可以用来估计物体的位置。

1842年，奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler）描述了一种现在被称为“多普勒效应”的现象，它说的是，信号频率的变化与信号源的速度和方向有关。一个简单的例子就是救护车向你驶来，经过你身边随后远离时，你能感觉到它的警报声调发生变化。

多普勒雷达正是利用这种效应来比较发射和反射信号的频率，从而确定移动物体的方向和速度，比如雷雨和超速的汽车。多普勒效应可用于检测微小的运动，包括心跳和呼吸相关的胸腔运动。在这种情况下，多普勒雷达会向人体发射信号，反射的信号因吸入或呼出动作而不同，甚至会因心率而产生差异。因此，这项技术能够准确地测量这些生命体征。

当波遇见实心墙体（比如石膏墙或木墙）时，其中一部分会从表面反射回来，而剩下的一部分则能穿过墙壁，特别是相对低频的无线电。如果发射的波遇到了金属物体或者人体时，它就可以被完全反射回来，因为人体的含水率很高，具有很强的反射性。

当雷达接收器足够灵敏（当然要比普通雷达接收器要灵敏得多）时，它就可以接收到穿过墙壁的反射信号。使用成熟的信号处理技术，过滤掉墙体和家具等静态物体的反射，就能分离出人们真正感兴趣的信号，比如有关人的位置等各种有用信息。

利用雷达追踪墙壁另一侧的物体，关键是要有非常灵敏的天线，可以接收到被大幅减弱的反射无线电波。| 图片来源：Abdel-Kareem Moadi, CC BY-ND

三

以往，雷达技术在协助灾害管理和执法方面的能力一直有限，因为它没有足够的计算能力和速度，过滤掉树叶或碎石等复杂环境中的背景噪声，并生成实时图像。

但如今，雷达传感器有能力收集和处理大量数据，即使在恶劣的环境中也能做到，并且能够生成目标的高分辨率图像。通过复杂的算法，它们可以近实时地显示数据。这需要高速的计算机处理器快速处理大量数据，它还需要能快速传输数据的宽带电路，从而提高图像的分辨率。

毫米波无线技术的最新发展，从5G到5G+甚至更高配置，可能有助于进一步改进这项技术，利用更宽的带宽提供更高分辨率的图像。无线技术还将加快数据处理时间，大大减少了延迟。

Fathy的实验室正在开发远程描绘墙壁电气特征的高速方法，这有助于校准雷达波并优化天线，使波更容易穿过墙壁，将墙壁的阻碍降到最低。团队还开发了软件和硬件系统，来实现雷达系统的大数据近实时分析。

 实验室的穿墙雷达技术比如今的商业系统提供了更多细节。| 图片来源：Aly Fathy

四

目前，由于天线尺寸的限制，能够做到穿墙透视的低频雷达系统通常是“庞然大物”。电磁信号的波长与天线的大小有关，科学家一直努力将穿墙透视雷达技术推向更高的频率，以便建造更小、更便携的系统。

这些穿墙透视雷达能追踪个体的运动以及心跳和呼吸频率。这项技术还可用于从远处确定建筑物的整体布局，甚至可以深入墙体内部确认管道和电线的位置，并且探测隐藏的武器和饵雷。

除了为灾难应对、执法和军方提供工具外，这项技术还可用于监测老年人，或者从病房外获得感染性疾病（比如COVID-19）患者的生命体征。

未来，人们同样希望它能与更多技术结合。比如，甚至有人在研究一种穿墙透视的雷达，它可以生成足够精确的人脸图像，供面部识别系统进行精准识别。这样一来，人们可能真正拥有了“超人”的力量。

参考来源：

https://theconversation.com/fast-computers-5g-networks-and-radar-that-passes-through-walls-are-bringing-x-ray-vision-closer-to-reality-156476

本文来自微信公众号：原理（ID：principia1687），作者：Aly Fathy