新型微波扫描仪可像超人一样穿过墙壁追踪移动物体

雷达问世已有近一个世纪。雷达是人类技术工具箱中低调的一项发明，其概念简洁而精巧：发射无线电波，用接收器接收反射波，然后研究这些波以判断物体的位置和距离。

如今，设计师已经能够使用多个接收器创建复杂的雷达系统。例如，当一个设备（例如您的手机）与多个接收器进行 ping 时，它就可以以令人难以置信的精度进行三角测量。

现在，美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员发明了一种新型雷达扫描系统，该系统采用相反的配置，即一个接收器和多个发射器。这种新型无线电装置可以创建实时图像和视频，即使物体隐藏在墙后或以超音速移动。

这项技术可能让急救人员更容易找到烟雾弥漫的燃烧建筑物中的人员，或追踪太空中飞速移动的碎片。研究人员在《自然通讯》上发表了他们的研究成果。

NIST 的系统依赖于微波——波本身，而不是设备——尽管微波是反射来加热食物的。微波是无线电波家族中最短的。它们的波长范围从一把尺子的大小到一角硬币的厚度。它们已经在雷达中使用；例如，跟踪汽车在道路上行驶速度的设备通常依赖于微波。

如果将微波波长进一步缩短——比最短的微波缩短一万倍——就会得到可见光。所有这些都位于电磁波谱中，除了波长之外，它们之间基本上没有区别。

但在成像方面，微波比光具有某些优势。“显然，我无法看穿这些墙壁，因为人眼敏感的波长无法很好地穿透这些物体，”NIST 的研究人员之一 Fabio da Silva 说道。“但是，如果你使用更长的波长，比如微波……你应该能够‘看穿’墙壁。”

事实上，这就是为什么你的路由器可以覆盖你家的任何地方，或者你的手机可以在地下接收到信号的原因——它们通过可以穿过墙壁和地板的微波连接到互联网。这也意味着研究人员的新系统甚至可以穿透干墙和混凝土等相对致密的材料。它也不会受到厚云和雨等恶劣天气的阻碍。

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但传统雷达并不擅长快速形成详细图像。“为了获取图像，[雷达系统]通常需要扫描其照明模式，这通常会减慢成像过程，”研究微波成像的研究员、亚利桑那州立大学教授 Mohammadreza Imani 表示，他没有参与 NIST 的研究。

NIST 的研究人员希望开发一个可以克服这一限制的系统。为了获得灵感，NIST 团队研究了一种名为“单像素相机”的新设备，本质上就是没有镜头的相机。它们发出光线，并使用超快和超灵敏的探测器测量光线返回所需的时间。如果你能得到一个可以快速处理数据的系统，你就可以快速高效地创建图像。

研究人员系统的另一个关键部分依赖于一种叫做“飞行光”的东西，它利用波从物体上反射到接收器的方式工作。“你利用光从其他物体上反射的原理，然后这些物体通过多次反射照亮其他物体，”达席尔瓦说。

除了成像之外，飞行中的光还经常被 3D 渲染软件用来创建更逼真的图像。NIST 的研究人员对其进行了改造，使其能够与微波配合使用。

对于达席尔瓦和他的同事来说，最大的障碍是能够将所有这些概念整合到一个可用的扫描系统中。因此，他们转向 GPS，它通过找到您相对于多颗卫星的位置来定位您。达席尔瓦和他的同事使用了多个微波源和一个接收器，依靠计算机算法将它们结合在一起。

该系统可以扫描面积相当于一间超普通公寓的区域，然后找到小至 1 毫米的物体，所有这一切都在几微秒内完成。研究人员还希望该系统可以用于类似于雷达最初用途的应用：跟踪超音速物体，即移动速度超过音速五倍的物体。例子包括爆炸或太空垃圾，随着地球轨道上越来越多地被人造垃圾弄得乱七八糟，后者正成为更大的威胁。

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“除了能够快速成像大场景外，本文讨论的系统还可以区分第一次和第二次散射事件，”Imani 说道。换句话说，它不仅可以探测到反弹，还可以探测到反弹后的反弹。“人们可以利用第二次散射事件来穿透障碍物以及障碍物周围进行成像。”

该团队的成果基于 NIST 的实验室演示。此后，达席尔瓦离开 NIST 加盟了一家初创公司 Wavsens，他希望继续研究该系统，并最终将其变成可以投放市场并得到更广泛应用的东西。

“我们确实希望在未来几个月内完成类似原型测试的工作，”他说。“然后，可能在明年，我们就能拥有一些可以在实际应用中部署或测试的东西。”

除了这个系统，其他研究人员还希望制造出比机场里巨型气动管箱更快、侵入性更小、体积更小的微波安全扫描仪。微波成像仪也是自动驾驶汽车的支柱。伊玛尼说，小型微波摄像头甚至可以进入你的手机。

“它也可以用于娱乐，比如用来检查鞋子是否合脚而不会产生任何有害影响，”伊玛尼说道——有点像旧的 X 射线鞋子试穿器，但没有不必要的辐射。