I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e Wavsens LLC hanno sviluppato un metodo per utilizzare i segnali radio per creare immagini e video in tempo reale di oggetti nascosti e in movimento, che potrebbero aiutare i vigili del fuoco a trovare vie di fuga o vittime all'interno di edifici pieni di fuoco e fumo. La tecnica potrebbe anche aiutare a tracciare oggetti ipersonici come missili e detriti spaziali.

Il nuovo metodo, descritto in Comunicazioni sulla natura , potrebbe fornire informazioni critiche per aiutare a ridurre morti e feriti. Localizzare e monitorare i primi soccorritori in ambienti chiusi è un obiettivo primario per la comunità della sicurezza pubblica. Centinaia di migliaia di pezzi di spazzatura spaziale orbitante sono considerati pericolosi per l'uomo e i veicoli spaziali.

"Il nostro sistema consente l'imaging in tempo reale intorno agli angoli e attraverso i muri e il tracciamento di oggetti in rapido movimento come detriti spaziali di dimensioni millimetriche che volano a 10 chilometri al secondo, più di 20, 000 miglia all'ora, tutto da distanze di stallo, " ha detto il fisico Fabio da Silva, che ha guidato lo sviluppo del sistema mentre lavorava al NIST.

"Poiché usiamo segnali radio, passano quasi tutto, come cemento, cartongesso, legno e vetro, " ha aggiunto da Silva. "È piuttosto bello perché non solo possiamo guardare dietro i muri, ma ci vogliono solo pochi microsecondi di dati per creare una cornice di immagine. Il campionamento avviene alla velocità della luce, il più velocemente possibile fisicamente".

Il metodo di imaging NIST è una variazione sul radar, che invia un impulso elettromagnetico, aspetta i riflessi, e misura il tempo di andata e ritorno per determinare la distanza da un bersaglio. Il radar multisito di solito ha un trasmettitore e diversi ricevitori che ricevono gli echi e li triangolano per individuare un oggetto.

"Abbiamo sfruttato il concetto di radar multisito ma nel nostro caso utilizziamo molti trasmettitori e un ricevitore, " disse da Silva. "In questo modo, tutto ciò che riflette ovunque nello spazio, siamo in grado di individuare e immagine."

Da Silva spiega il processo di imaging in questo modo:"Per l'immagine di un edificio, il volume effettivo di interesse è molto più piccolo del volume dell'edificio stesso perché è per lo più spazio vuoto con cose sparse al suo interno. Per localizzare una persona, divideresti l'edificio in una matrice di cubi. ordinariamente, trasmetteresti segnali radio a ciascun cubo singolarmente e analizzeresti i riflessi, che richiede molto tempo. Al contrario, il metodo NIST sonda tutti i cubi contemporaneamente e utilizza l'eco di ritorno da, dire, 10 cubi su 100 per calcolare dove si trova la persona. Tutte le trasmissioni restituiranno un'immagine, con i segnali che formano uno schema e i cubi vuoti che cadono."

Da Silva ha chiesto un brevetto, e ha recentemente lasciato il NIST per commercializzare il sistema con il nome m-Widar (rilevamento di immagini a microonde, analisi e allineamento) attraverso una società di avvio, Wavsens LLC (Westminster, Colorado).

Il team del NIST ha dimostrato la tecnica in una camera anecoica (non echeggiante), realizzare immagini di una scena 3D che coinvolge una persona che si muove dietro un muro a secco. La potenza del trasmettitore era equivalente a 12 telefoni cellulari che inviavano segnali simultaneamente per creare immagini del bersaglio da una distanza di circa 10 metri (30 piedi) attraverso il wallboard.

Da Silva ha affermato che l'attuale sistema ha una portata potenziale fino a diversi chilometri. Con alcuni miglioramenti la portata potrebbe essere molto più ampia, limitato solo dalla potenza del trasmettitore e dalla sensibilità del ricevitore, Egli ha detto.

La tecnica di base è una forma di imaging computazionale nota come rendering transitorio, che esiste come strumento di ricostruzione delle immagini dal 2008. L'idea è di utilizzare un piccolo campione di misurazioni del segnale per ricostruire le immagini sulla base di schemi e correlazioni casuali. La tecnica è stata precedentemente utilizzata nella codifica delle comunicazioni e nella gestione della rete, machine learning e alcune forme avanzate di imaging.

Da Silva ha combinato l'elaborazione del segnale e le tecniche di modellazione di altri campi per creare una nuova formula matematica per ricostruire le immagini. Ogni trasmettitore emette diversi modelli di impulsi contemporaneamente, in un tipo specifico di sequenza casuale, che interferiscono nello spazio e nel tempo con gli impulsi degli altri trasmettitori e producono informazioni sufficienti per costruire un'immagine.

Le antenne trasmittenti operavano a frequenze da 200 megahertz a 10 gigahertz, all'incirca la metà superiore dello spettro radio, che include microonde. Il ricevitore era costituito da due antenne collegate a un digitalizzatore di segnale. I dati digitalizzati sono stati trasferiti su un computer portatile e caricati sull'unità di elaborazione grafica per ricostruire le immagini.

Il team del NIST ha utilizzato il metodo per ricostruire una scena con 1,5 miliardi di campioni al secondo, una frequenza di fotogrammi dell'immagine corrispondente di 366 kilohertz (fotogrammi al secondo). A confronto, questo è circa 100 a 1, 000 volte più fotogrammi al secondo di una videocamera di un cellulare.

Con 12 antenne, il sistema NIST ha generato immagini da 4096 pixel, con una risoluzione di circa 10 centimetri su una scena di 10 metri. Questa risoluzione dell'immagine può essere utile quando la sensibilità o la privacy sono un problema. Però, la risoluzione potrebbe essere migliorata aggiornando il sistema utilizzando la tecnologia esistente, tra cui più antenne trasmittenti e generatori e digitalizzatori di segnali casuali più veloci.

Nel futuro, le immagini potrebbero essere migliorate utilizzando l'entanglement quantistico, in cui le proprietà dei singoli segnali radio sarebbero interconnesse. L'entanglement può migliorare la sensibilità. Gli schemi di illuminazione quantistica a radiofrequenza potrebbero aumentare la sensibilità di ricezione.

La nuova tecnica di imaging potrebbe anche essere adattata per trasmettere la luce visibile invece dei segnali radio:i laser ultraveloci potrebbero aumentare la risoluzione dell'immagine ma perderebbero la capacità di penetrare le pareti o le onde sonore utilizzate per applicazioni di imaging sonar e ad ultrasuoni.

Oltre all'imaging delle condizioni di emergenza e dei detriti spaziali, il nuovo metodo potrebbe essere utilizzato anche per misurare la velocità delle onde d'urto, una metrica chiave per valutare gli esplosivi, e per monitorare i segni vitali come la frequenza cardiaca e la respirazione, disse da Silva.