美国国家标准与技术研究院（NIST）和Wavsens公司的研究人员开发了一种方法，利用无线电信号创建隐藏和移动物体的实时图像和视频，这可以帮助消防员在充满火情和烟雾的建筑物中找到逃生路线或受害者。该技术还可以追踪高超音速物体，如导弹和空间碎片。

6月25日发表在《自然通讯》（Nature Communications）杂志上的新方法可以提供关键信息，帮助减少伤亡。定位和跟踪室内急救人员是公共安全社区的首要目标。无数的太空垃圾被认为对人类和宇宙飞船构成威胁。

“这种系统可以在拐角处和穿墙处实时成像，并跟踪快速移动的物体，如以每秒10千米、每小时2万多英里速度飞行的毫米级空间碎片。”物理学家法Fabio da Silva说道，他在NIST工作期间领导该系统的开发工作。

“因为我们使用的是无线电信号，它们几乎可以穿透任何东西，比如混凝土、石膏板、木材和玻璃，”Fabio da Silva补充道。“这非常酷，因为我们不仅可以看到墙的后面，而且只需要几微秒的数据就可以形成图像帧。采样是以物理上可能的最快速度——光速——进行的。”

NIST成像方法是雷达的一个变种，它发送电磁脉冲，等待反射，然后测量往返时间来确定到目标的距离。多站点雷达通常有一个发射器和几个接收器，接收回波并三角定位目标。

“我们利用了多站点雷达的概念，但在我们的案例中使用了许多发射器和一个接收器，”Fabio da Silva说，“通过这种方式，我们就能定位和成像在太空中反射的任何物体。”

Fabio da Silva已经申请了一项专利，最近他离开了NIST，通过一家名为Wavsens LLC（位于科罗拉多州西敏斯特）的初创公司，以m-Widar（微波图像检测、分析和测距）的名称将该系统进行了商业化。

NIST团队在一个消声（非回声）室内演示了这项技术，制作了一个人在干墙后面移动的3D场景图像。发射器的功率相当于12部手机同时发送信号，通过墙板在大约10 m（30 ft）的距离拍摄目标的图像。

m-Widar系统演示显示，在左边的视频中，一个人在一个无回声的房间里走着，然后蹲着、躺着。发射器和接收器在箱体右侧的一条垂直线上。右边的第二个视频显示了同一场景的仪器视图。在视频大约21秒的时候，在人和消声室里的仪器之间插入了一块墙板，以显示m-Widar可以透过墙壁“看到”。

Fabio da Silva说，目前的系统具有高达几千米的潜在射程。他说，通过一些改进，射程可能会更远，将只受发射器功率和接收器灵敏度的限制。

该系统的基本技术是计算成像的一种形式，即瞬态渲染，自2008年以来一直作为一种图像重建工具存在。其想法是使用一个小样本的测量信号来重建基于随机模式和相关性的图像。该技术此前被用于通信编码和网络管理、机器学习和一些高级形式的成像。

Fabio da Silva结合了其他领域的信号处理和建模技术，创建了一个新的数学公式来重建图像。每个发射器同时发出不同的脉冲模式，以一种特定的随机序列，在空间和时间上干扰来自其他发射器的脉冲，并产生足够的信息来构建图像。

发射天线的频率在200 MHz~10 GHz之间，大约是包括微波在内的无线电频谱的上半部分。该接收器由两个连接到数字信号转换器的天线组成。数字化的数据被转移到一台笔记本电脑上，并上传到图形处理单元以重建图像。

NIST团队使用这种方法重建了每秒15亿个样本的场景，相应的图像帧率为366 kHz。相比之下，它每秒的帧数是手机摄像头的100~1000倍。

NIST系统用12个天线生成了4096像素的图像，10 m的场景分辨率约为10 cm。当需要考虑灵敏度或隐私时，这种图像分辨率很有用。然而，通过使用现有技术升级系统，包括更多的发射天线和更快的随机信号发生器和数字转换器，可以提高分辨率。

Fabio da Silva这样解释成像过程：为建筑成像，实际关注的体积比建筑本身的体积要小得多，因为它大部分是空的，里面有稀疏的填充物。为了确定一个人的位置，你会把建筑分成一个立方体矩阵。通常情况下，你会向每个立方体单独发送无线电信号并分析反射，这是非常耗时的。相比之下，NIST的方法是同时探测所有的立方体，并使用返回的回波。例如，100个立方体中的10个来计算这个人在哪里。所有的传输都将返回一个图像，信号形成一个图案，空的立方体会被去掉。

在未来，可以利用量子纠缠来改善图像。在量子纠缠中，单个无线电信号的性质将相互关联，纠缠可以提高灵敏度。射频量子照明方案可以提高接收灵敏度。

这种新的成像技术也可以用于传输可见光而不是无线电信号——超快激光可以提高图像分辨率，但将失去穿透墙壁的能力——或者用于声纳和超声波成像应用的声波。

Fabio da Silva说，除了对紧急情况和空间碎片进行成像，新方法还可以用于测量冲击波的速度，这是评估爆炸物的关键指标，并且可以监测心率和呼吸等生命体征。

这项工作部分由公共安全信托基金资助，该基金为NIST各组织提供资金，利用NIST在通信、网络安全、制造和传感器方面的专业知识，研究急救人员的关键救生技术。