Pochi secondi dopo aver raggiunto una città, i terremoti possono causare un’immensa distruzione: le case crollano, i grattacieli si trasformano in macerie, persone e animali vengono sepolti tra le macerie.
All’indomani di tale carneficina, il personale di emergenza cerca disperatamente qualsiasi segno di vita in quella che era una casa o un ufficio. Spesso, tuttavia, scoprono che stavano scavando nel mucchio sbagliato di macerie ed è passato del tempo prezioso.
Immagina se i soccorritori potessero vedere attraverso i detriti per individuare i sopravvissuti sotto le macerie, misurare i loro segni vitali e persino generare immagini delle vittime.
Ciò sta diventando rapidamente possibile utilizzando la tecnologia radar trasparente. Le prime versioni di una tecnologia che indica se una persona è presente in una stanza sono state utilizzate per diversi anni e alcune possono misurare i segni vitali anche se in condizioni migliori rispetto alle macerie.
Sono un ingegnere elettronico che ricerca nel campo dei sistemi di comunicazione e imaging. Io e altri stiamo usando computer veloci, nuovi algoritmi e ricetrasmettitori radar che raccolgono grandi quantità di dati per consentire qualcosa di molto più vicino alla visione a raggi X della fantascienza e dei fumetti.
Questa tecnologia emergente consentirà di determinare quanti occupanti sono presenti dietro un muro o una barriera, dove si trovano, quali oggetti potrebbero trasportare e, negli usi di polizia o militari, anche che tipo di armatura potrebbero indossare.
Come funziona il radar
Radar sta per rilevamento e portata radio. Usando le onde radio, un radar invia un segnale che viaggia alla velocità della luce. Se il segnale colpisce un oggetto come un aereo, ad esempio, viene riflesso verso un ricevitore e un’eco viene vista sullo schermo del radar dopo un certo intervallo di tempo. Quest’eco può quindi essere utilizzata per stimare la posizione dell’oggetto.
Nel 1842, Christian Doppler, un fisico austriaco, descrisse un fenomeno ora noto come effetto Doppler o spostamento Doppler, in cui il cambiamento di frequenza di un segnale è correlato alla velocità e alla direzione della sorgente del segnale.
Nel caso originale di Doppler, il segnale era la luce di un sistema stellare binario. È simile al suono variabile di una sirena quando un veicolo di emergenza accelera verso di te, ti supera e poi si allontana. Il radar Doppler utilizza questo effetto per confrontare le frequenze dei segnali trasmessi e riflessi per determinare la direzione e la velocità di oggetti in movimento, come i temporali e le auto in corsa.
L’effetto Doppler può essere utilizzato per rilevare piccoli movimenti, inclusi battiti cardiaci e i movimenti del torace associati alla respirazione. In questi esempi, il radar Doppler invia un segnale a un corpo umano e il segnale riflesso differisce a seconda che la persona stia inspirando o espirando, o anche in base alla frequenza cardiaca della persona. Ciò consente alla tecnologia di misurare con precisione questi segni vitali.
Come il radar può attraversare i muri
Come i cellulari, i radar utilizzano le onde elettromagnetiche. Quando un’onda colpisce pareti solide come pareti in cartongesso o in legno, una frazione di essa viene riflessa dalla superficie. Ma il resto viaggia attraverso il muro, specialmente a frequenze radio relativamente basse.
L’onda trasmessa può essere totalmente riflessa se colpisce un oggetto metallico o anche un essere umano, perché l’alto contenuto di acqua del corpo umano lo rende altamente riflettente.
Se il ricevitore del radar è abbastanza sensibile, molto più sensibile dei normali ricevitori radar, può captare i segnali che vengono riflessi attraverso il muro. Utilizzando tecniche di elaborazione del segnale consolidate, i riflessi di oggetti statici come pareti e mobili possono essere filtrati, consentendo di isolare il segnale di interesse, come la posizione di una persona.
Trasformare i dati in immagini
Storicamente, la tecnologia radar è stata limitata nella sua capacità di aiutare nella gestione dei disastri e nelle forze dell’ordine perché erano disponibili potenza di calcolo e velocità sufficienti per filtrare il rumore di fondo da ambienti complicati come fogliame o macerie e produrre immagini dal vivo.
Oggi, tuttavia, i sensori radar possono spesso raccogliere ed elaborare grandi quantità di dati, anche in ambienti difficili, e generare immagini di bersagli ad alta risoluzione.
Utilizzando algoritmi sofisticati, possono visualizzare i dati quasi in tempo reale. Ciò richiede processori di computer veloci per gestire rapidamente queste grandi quantità di dati e circuiti a banda larga in grado di trasmettere rapidamente dati per migliorare la risoluzione delle immagini.
È probabile che i recenti sviluppi nella tecnologia wireless a onde millimetriche, dal 5G al 5G + e oltre, contribuiscano a migliorare ulteriormente questa tecnologia, fornendo immagini a risoluzione più elevata attraverso una larghezza di banda più ampia dell’ordine di grandezza.
La tecnologia wireless velocizzerà anche i tempi di elaborazione dei dati perché riduce notevolmente la latenza, il tempo tra la trasmissione e la ricezione dei dati.
Il mio laboratorio sta sviluppando metodi veloci per caratterizzare a distanza le caratteristiche elettriche delle pareti, che aiutano a calibrare le onde radar e ad ottimizzare le antenne per far passare più facilmente le onde attraverso la parete ed essenzialmente rendere la parete trasparente alle onde. Stiamo anche sviluppando il sistema software e hardware per eseguire le analisi dei big data dei sistemi radar quasi in tempo reale.
Una migliore elettronica promette radar portatili
I sistemi radar alle basse frequenze normalmente richieste per vedere attraverso i muri sono ingombranti a causa delle grandi dimensioni dell’antenna. La lunghezza d’onda dei segnali elettromagnetici corrisponde alla dimensione dell’antenna. Gli scienziati hanno spinto la tecnologia radar trasparente a frequenze più alte per costruire sistemi più piccoli e portatili.
Oltre a fornire uno strumento per i servizi di emergenza, le forze dell’ordine e i militari, la tecnologia potrebbe essere utilizzata anche per monitorare gli anziani e leggere i segni vitali di pazienti con malattie infettive come il COVID-19 dall’esterno di una stanza d’ospedale.
Un’indicazione del potenziale del radar trasparente è l’interesse dell’esercito americano. Stanno cercando una tecnologia in grado di creare mappe tridimensionali degli edifici e dei loro occupanti quasi in tempo reale. Stanno persino cercando un radar trasparente in grado di creare immagini dei volti delle persone abbastanza accurate da consentire ai sistemi di riconoscimento facciale di identificare le persone dietro il muro.
Indipendentemente dal fatto che i ricercatori possano sviluppare o meno un radar trasparente abbastanza sensibile da distinguere le persone in base ai loro volti, è probabile che la tecnologia vada ben oltre le macchie su uno schermo per dare ai primi soccorritori qualcosa come poteri sovrumani.