Imagens de sinais de rádio objetos ocultos e em alta velocidade

Pesquisadores desenvolveram um método para usar sinais de rádio para criar imagens e vídeos em tempo real de objetos escondidos e em movimento. O sistema permite imagens em tempo real em torno de cantos e paredes, bem como rastreamento de objetos em movimento rápido, como detritos espaciais de tamanho milimétrico voando a 20.000 milhas por hora - tudo a partir de distâncias de afastamento.

O método de imagem é uma variação do radar, que envia um pulso eletromagnético, aguarda as reflexões e mede o tempo de ida e volta para determinar a distância até um alvo. O radar multilocal geralmente possui um transmissor e vários receptores que recebem ecos e os triangulam para localizar um objeto. O novo método - chamado m-Widar - usa vários transmissores e um receptor.

A equipe demonstrou a técnica em uma câmara anecóica (sem eco), fazendo imagens de uma cena 3D envolvendo uma pessoa se movendo atrás do drywall. A potência do transmissor era equivalente a 12 celulares enviando sinais simultaneamente para criar imagens do alvo a uma distância de cerca de 10 metros (30 pés) através do wallboard. O sistema atual tem um alcance potencial de até vários quilômetros. Com algumas melhorias, o alcance poderia ser muito maior, limitado apenas pela potência do transmissor e pela sensibilidade do receptor.

A técnica básica é uma forma de imagem computacional conhecida como renderização transitória, que existe como ferramenta de reconstrução de imagens desde 2008. A idéia é usar uma pequena amostra de medições de sinais para reconstruir imagens com base em padrões aleatórios e correlações. A técnica já foi usada anteriormente em codificação de comunicações e gerenciamento de rede, aprendizado de máquina e algumas formas avançadas de imagem.

Leia uma sessão de perguntas e respostas com o pesquisador

Fabio da Silva conversa com Tech Briefs sobre m-Widar.

A nova técnica combina processamento de sinais e técnicas de modelagem de outros campos para criar uma nova fórmula matemática para reconstruir imagens. Cada transmissor emite diferentes padrões de pulso simultaneamente em um tipo específico de sequência aleatória que interfere no espaço e no tempo com os pulsos dos outros transmissores e produz informações suficientes para construir uma imagem.

As antenas de transmissão operavam em frequências de 200 megahertz a 10 gigahertz, aproximadamente a metade superior do espectro de rádio, que inclui micro-ondas. O receptor consistia de duas antenas conectadas a um digitalizador de sinal. Os dados digitalizados foram transferidos para um computador portátil e carregados na unidade de processamento gráfico para reconstrução das imagens. A equipe usou o método para reconstruir uma cena com 1,5 bilhão de amostras por segundo, uma taxa de quadros de imagem correspondente de 366 kilohertz (quadros por segundo). Em comparação, isso é cerca de 100 a 1.000 vezes mais quadros por segundo do que uma câmera de vídeo de celular.

Com 12 antenas, o sistema gerou imagens de 4.096 pixels com resolução de cerca de 10 centímetros em uma cena de 10 metros. Essa resolução de imagem pode ser útil quando a sensibilidade ou a privacidade são uma preocupação. A resolução pode ser melhorada atualizando o sistema usando a tecnologia existente, incluindo mais antenas de transmissão e geradores e digitalizadores de sinais aleatórios mais rápidos. No futuro, as imagens poderiam ser melhoradas usando o entrelaçamento quântico, no qual as propriedades de sinais de rádio individuais seriam interligadas.

A nova técnica de imagem também pode ser adaptada para transmitir luz visível em vez de sinais de rádio – lasers ultrarrápidos podem aumentar a resolução da imagem, mas perderiam a capacidade de penetrar nas paredes – ou ondas sonoras usadas para aplicações de imagens de sonar e ultrassom. Além de imagens de condições de emergência e detritos espaciais, o novo método também pode ser usado para medir a velocidade das ondas de choque, uma métrica fundamental para avaliar explosivos e monitorar sinais vitais, como frequência cardíaca e respiração.