看《超人》漫畫和電影時，我們(men) 都會(hui) 對超人的X射線透視眼留下深刻印象。這種超能力讓超人一眼看穿了蝙蝠俠(xia) 的真實身份，他幾乎可以把周圍的世界盡收眼底“一覽無餘(yu) ”。

如果科技可以實現類似這種科幻的暢想，那將帶來非常重要的現實意義(yi) 。比如，地震發生後，房屋倒塌，大廈變成瓦礫，人和動物可能不幸被掩埋在廢墟中。這種情況下，救援人員都會(hui) 拚命地在廢墟中尋找生命的跡象。想象一下，如果救援人員能“透視”瓦礫，發現廢墟之下的幸存者，測量他們(men) 的生命體(ti) 征，甚至直接產(chan) 生受害者的圖像，這將帶來質的改變。

事實上，這樣的現實或許離我們(men) 並沒有那麽(me) 遙遠。借助“穿牆透視雷達技術”，這很快將成為(wei) 可能。早期版本的技術能夠顯示一個(ge) 人是否在房間裏，它已經投入使用了數年，還有一些技術能夠在某些特定條件下測量出生命體(ti) 征的信號。

Aly Fathy是一名研究電磁通信和成像係統的電氣工程師。他和其他一些工程師正借助高速計算機、新型算法和能夠收集大量數據的雷達收發器，讓現實中的技術更接近超人那種“透視眼”的效果。

這項新興(xing) 技術能夠確定牆體(ti) 或障礙物後麵有多少人，他們(men) 在哪裏，可能攜帶著什麽(me) 物品，在軍(jun) 事用途中，它甚至可以確定他們(men) 可能穿著什麽(me) 類型的護甲。

“Radar”（雷達）原本是“RAdio Detection And Ranging”（無線電探測與(yu) 測距）的縮寫(xie) 。和手機一樣，雷達使用的也是電磁波，它利用無線電波發送以光速傳(chuan) 播的信號。如果信號遇見物體(ti) ，比如一架飛機，它就會(hui) 被反射回接收器，在一定的延時後，雷達的屏幕上就能看到反射回來的波，這就可以用來估計物體(ti) 的位置。

1842年，奧地利物理學家克裏斯蒂安·多普勒（Christian Doppler）描述了一種現在被稱為(wei) “多普勒效應”的現象，它說的是，信號頻率的變化與(yu) 信號源的速度和方向有關(guan) 。一個(ge) 簡單的例子就是救護車向你駛來，經過你身邊隨後遠離時，你能感覺到它的警報聲調發生變化。

多普勒雷達正是利用這種效應來比較發射和反射信號的頻率，從(cong) 而確定移動物體(ti) 的方向和速度，比如雷雨和超速的汽車。多普勒效應可用於(yu) 檢測微小的運動，包括心跳和呼吸相關(guan) 的胸腔運動。在這種情況下，多普勒雷達會(hui) 向人體(ti) 發射信號，反射的信號因吸入或呼出動作而不同，甚至會(hui) 因心率而產(chan) 生差異。因此，這項技術能夠準確地測量這些生命體(ti) 征。

當波遇見實心牆體(ti) （比如石膏牆或木牆）時，其中一部分會(hui) 從(cong) 表麵反射回來，而剩下的一部分則能穿過牆壁，特別是相對低頻的無線電。如果發射的波遇到了金屬物體(ti) 或者人體(ti) 時，它就可以被完全反射回來，因為(wei) 人體(ti) 的含水率很高，具有很強的反射性。

當雷達接收器足夠靈敏（當然要比普通雷達接收器要靈敏得多）時，它就可以接收到穿過牆壁的反射信號。使用成熟的信號處理技術，過濾掉牆體(ti) 和家具等靜態物體(ti) 的反射，就能分離出人們(men) 真正感興(xing) 趣的信號，比如有關(guan) 人的位置等各種有用信息。

利用雷達追蹤牆壁另一側(ce) 的物體(ti) ，關(guan) 鍵是要有非常靈敏的天線，可以接收到被大幅減弱的反射無線電波。| 圖片來源：Abdel-Kareem Moadi, CC BY-ND

以往，雷達技術在協助災害管理和執法方麵的能力一直有限，因為(wei) 它沒有足夠的計算能力和速度，過濾掉樹葉或碎石等複雜環境中的背景噪聲，並生成實時圖像。

但如今，雷達傳(chuan) 感器有能力收集和處理大量數據，即使在惡劣的環境中也能做到，並且能夠生成目標的高分辨率圖像。通過複雜的算法，它們(men) 可以近實時地顯示數據。這需要高速的計算機處理器快速處理大量數據，它還需要能快速傳(chuan) 輸數據的寬帶電路，從(cong) 而提高圖像的分辨率。

毫米波無線技術的最新發展，從(cong) 5G到5G+甚至更高配置，可能有助於(yu) 進一步改進這項技術，利用更寬的帶寬提供更高分辨率的圖像。無線技術還將加快數據處理時間，大大減少了延遲。

Fathy的實驗室正在開發遠程描繪牆壁電氣特征的高速方法，這有助於(yu) 校準雷達波並優(you) 化天線，使波更容易穿過牆壁，將牆壁的阻礙降到最低。團隊還開發了軟件和硬件係統，來實現雷達係統的大數據近實時分析。

實驗室的穿牆雷達技術比如今的商業(ye) 係統提供了更多細節。| 圖片來源：Aly Fathy

目前，由於(yu) 天線尺寸的限製，能夠做到穿牆透視的低頻雷達係統通常是“龐然大物”。電磁信號的波長與(yu) 天線的大小有關(guan) ，科學家一直努力將穿牆透視雷達技術推向更高的頻率，以便建造更小、更便攜的係統。

這些穿牆透視雷達能追蹤個(ge) 體(ti) 的運動以及心跳和呼吸頻率。這項技術還可用於(yu) 從(cong) 遠處確定建築物的整體(ti) 布局，甚至可以深入牆體(ti) 內(nei) 部確認管道和電線的位置，並且探測隱藏的武器和餌雷。

除了為(wei) 災難應對、執法和軍(jun) 方提供工具外，這項技術還可用於(yu) 監測老年人，或者從(cong) 病房外獲得感染性疾病（比如COVID-19）患者的生命體(ti) 征。

未來，人們(men) 同樣希望它能與(yu) 更多技術結合。比如，甚至有人在研究一種穿牆透視的雷達，它可以生成足夠精確的人臉圖像，供麵部識別係統進行精準識別。這樣一來，人們(men) 可能真正擁有了“超人”的力量。

#創作團隊：

原文作者：Aly Fathy（田納西大學電氣工程教授）

編譯：Måka

#參考來源：

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

#圖片來源：

封麵圖：Marcella Cheng/The Conversation, CC BY-NC-ND

本文轉載自公眾(zhong) 號“原理”


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