Imageamento em Tempo Real Baseado em Rádio: Detecção de Objetos Ocultos e de Alta Velocidade à Distância

Pesquisadores desenvolveram um método para usar sinais de rádio para criar imagens e vídeos em tempo real de objetos ocultos e em movimento. O sistema permite imageamento em tempo real ao redor de cantos e através de paredes, bem como rastreamento de objetos em movimento rápido como detritos espaciais de tamanho milimétrico voando a 20.000 milhas por hora — tudo a distâncias de standoff.

O método de imageamento é uma variação de radar, que envia um pulso eletromagnético, espera pelos reflexos e mede o tempo de ida e volta para determinar distância a um alvo. Radar multi-sítio geralmente tem um transmissor e vários receptores que recebem ecos e triangulam para localizar um objeto. O novo método — chamado m-Widar — usa múltiplos transmissores e um receptor.

A equipe demonstrou a técnica em uma câmara anecóica (sem eco), fazendo imagens de uma cena 3D envolvendo uma pessoa movendo-se atrás de 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 painel de parede. O sistema atual tem alcance potencial de até vários quilômetros. Com algumas melhorias, o alcance poderia ser muito maior, limitado apenas pela potência do transmissor e sensibilidade do receptor.

A técnica básica é uma forma de imageamento computacional conhecido como renderização transiente, que existe como ferramenta de reconstrução de imagem desde 2008. A ideia é usar uma pequena amostra de medições de sinal para reconstruir imagens baseadas em padrões aleatórios e correlações. A técnica foi previamente usada em codificação de comunicações e gerenciamento de rede, aprendizado de máquina e algumas formas avançadas de imageamento.

Leia um Q&A com o Pesquisador

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

A nova técnica combina processamento de sinal e técnicas de modelagem de outras áreas 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 interferem no espaço e tempo com os pulsos dos outros transmissores e produzem informação suficiente para construir uma imagem.

As antenas transmissoras operaram 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 laptop e enviados para a unidade de processamento gráfico para reconstruir as 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 quilohertz (quadros por segundo). Por comparação, isso é cerca de 100 a 1.000 vezes mais quadros por segundo que uma câmera de vídeo de celular.

Com 12 antenas, o sistema gerou imagens de 4096 pixels com resolução de cerca de 10 centímetros em uma cena de 10 metros. Esta resolução de imagem pode ser útil quando sensibilidade ou privacidade é uma preocupação. A resolução poderia ser melhorada atualizando o sistema usando tecnologia existente incluindo mais antenas transmissoras e geradores de sinal aleatório e digitalizadores mais rápidos. No futuro, as imagens poderiam ser melhoradas usando emaranhamento quântico, no qual as propriedades de sinais de rádio individuais se tornariam interligadas.

A nova técnica de imageamento também poderia ser adaptada para transmitir luz visível em vez de sinais de rádio — lasers ultra-rápidos poderiam aumentar a resolução da imagem mas perderiam a capacidade de penetrar paredes — ou ondas sonoras usadas para aplicações de imageamento sonar e ultrassom. Além de imageamento de condições de emergência e detritos espaciais, o novo método também poderia ser usado para medir a velocidade de ondas de choque, uma métrica chave para avaliar explosivos, e monitorar sinais vitais como frequência cardíaca e respiração.