Une nouvelle technologie utilise des signaux radio pour imager les objets cachés et les excès de vitesse

Illustration de la configuration du laboratoire pour m-Widar, avec les émetteurs et le récepteur à gauche et la personne derrière le panneau mural à droite. L’encart en bas à droite montre l’image correspondante produite par l’instrument. Crédit : NIST

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de Wavsens LLC ont développé une méthode d’utilisation des signaux radio pour créer des images et des vidéos en temps réel d’objets cachés et en mouvement, ce qui pourrait aider les pompiers à trouver des voies d’évacuation ou des victimes à l’intérieur de bâtiments remplis de feu et fumée. La technique pourrait également aider à suivre des objets hypersoniques tels que des missiles et des débris spatiaux.

La nouvelle méthode, décrite dans Communication Nature, pourraient fournir des informations essentielles pour aider à réduire les décès et les blessures. Localiser et suivre les premiers intervenants à l’intérieur est un objectif primordial pour la communauté de la sécurité publique. Des centaines de milliers de débris spatiaux en orbite sont considérés comme dangereux pour les humains et les engins spatiaux.

“Notre système permet une imagerie en temps réel dans les coins et à travers les murs et le suivi d’objets en mouvement rapide tels que des débris spatiaux de la taille d’un millimètre volant à 10 kilomètres par seconde, à plus de 20 000 miles par heure, le tout à des distances de sécurité”, a déclaré le physicien Fabio. da Silva, qui a dirigé le développement du système tout en travaillant au NIST.

Cette démonstration du système m-Widar (détection, analyse et télémétrie d’images micro-ondes) montre, dans la vidéo de gauche, une personne marchant puis accroupie et allongée dans une chambre anéchoïque. Les émetteurs et le récepteur sont dans une ligne verticale sur le côté droit de la chambre. La deuxième vidéo à droite montre la vue de l’instrument de la même scène. Environ 21 secondes après le début de la vidéo, un panneau mural est inséré entre la personne et l’instrument dans la chambre anéchoïque, pour montrer que m-Widar peut « voir » à travers les murs. Crédit : NIST

“Parce que nous utilisons des signaux radio, ils traversent presque tout, comme le béton, les cloisons sèches, le bois et le verre”, a ajouté da Silva. « C’est plutôt cool parce que non seulement nous pouvons regarder derrière les murs, mais il ne faut que quelques microsecondes de données pour créer un cadre d’image. L’échantillonnage se fait à la vitesse de la lumière, aussi vite que physiquement possible.

La méthode d’imagerie du NIST est une variante du radar, qui envoie une impulsion électromagnétique, attend les réflexions et mesure le temps aller-retour pour déterminer la distance à une cible. Le radar multisite a généralement un émetteur et plusieurs récepteurs qui reçoivent les échos et les triangulent pour localiser un objet.

“Nous avons exploité le concept de radar multisite mais dans notre cas, nous utilisons de nombreux émetteurs et un récepteur”, a déclaré da Silva. “De cette façon, tout ce qui se reflète n’importe où dans l’espace, nous pouvons le localiser et l’imager.”

Da Silva explique le processus d’imagerie comme ceci :

«Pour imager un bâtiment, le volume réel d’intérêt est beaucoup plus petit que le volume du bâtiment lui-même, car il s’agit principalement d’un espace vide contenant peu de choses. Pour localiser une personne, vous diviseriez le bâtiment en une matrice de cubes. Normalement, vous transmettriez des signaux radio à chaque cube individuellement et analyseriez les réflexions, ce qui prend beaucoup de temps. En revanche, la méthode NIST sonde tous les cubes en même temps et utilise l’écho de retour de, disons, 10 cubes sur 100 pour calculer où se trouve la personne. Toutes les transmissions renverront une image, les signaux formant un motif et les cubes vides tombant. »

Da Silva a déposé une demande de brevet et il a récemment quitté le NIST pour commercialiser le système sous le nom de m-Widar (détection, analyse et télémétrie d’images micro-ondes) via une start-up, Wavsens LLC (Westminster, Colorado).

L’équipe du NIST a démontré la technique dans une chambre anéchoïque (sans écho), créant des images d’une scène 3D impliquant une personne se déplaçant derrière des cloisons sèches. La puissance de l’émetteur équivalait à 12 téléphones portables envoyant des signaux simultanément pour créer des images de la cible à une distance d’environ 10 mètres (30 pieds) à travers le panneau mural.

Da Silva a déclaré que le système actuel a une portée potentielle allant jusqu’à plusieurs kilomètres. Avec quelques améliorations, la portée pourrait être beaucoup plus étendue, limitée uniquement par la puissance de l’émetteur et la sensibilité du récepteur, a-t-il déclaré.

La technique de base est une forme d’imagerie informatique connue sous le nom de rendu transitoire, qui existe comme outil de reconstruction d’images depuis 2008. L’idée est d’utiliser un petit échantillon de mesures de signal pour reconstruire des images sur la base de modèles et de corrélations aléatoires. La technique a déjà été utilisée dans le codage des communications et la gestion de réseau, l’apprentissage automatique et certaines formes avancées d’imagerie.

Da Silva a combiné des techniques de traitement du signal et de modélisation d’autres domaines pour créer une nouvelle formule mathématique pour reconstruire des images. Chaque émetteur émet différents modèles d’impulsions simultanément, dans un type spécifique de séquence aléatoire, qui interfèrent dans l’espace et le temps avec les impulsions des autres émetteurs et produisent suffisamment d’informations pour construire une image.

Les antennes émettrices fonctionnaient à des fréquences de 200 mégahertz à 10 gigahertz, à peu près la moitié supérieure du spectre radio, qui comprend les micro-ondes. Le récepteur se composait de deux antennes connectées à un numériseur de signal. Les données numérisées ont été transférées sur un ordinateur portable et téléchargées vers l’unité de traitement graphique pour reconstruire les images.

L’équipe du NIST a utilisé la méthode pour reconstruire une scène avec 1,5 milliard d’échantillons par seconde, une fréquence d’images correspondante de 366 kilohertz (images par seconde). En comparaison, cela représente environ 100 à 1 000 fois plus d’images par seconde qu’une caméra vidéo de téléphone portable.

Avec 12 antennes, le système NIST a généré des images de 4096 pixels, avec une résolution d’environ 10 centimètres sur une scène de 10 mètres. Cette résolution d’image peut être utile lorsque la sensibilité ou la confidentialité est une préoccupation. Cependant, la résolution pourrait être améliorée en mettant à niveau le système en utilisant la technologie existante, y compris plus d’antennes de transmission et des générateurs et numériseurs de signaux aléatoires plus rapides.

À l’avenir, les images pourraient être améliorées en utilisant l’intrication quantique, dans laquelle les propriétés des signaux radio individuels deviendraient interconnectées. L’enchevêtrement peut améliorer la sensibilité. Les schémas d’éclairage quantique radiofréquence pourraient augmenter la sensibilité de réception.

La nouvelle technique d’imagerie pourrait également être adaptée pour transmettre la lumière visible au lieu des signaux radio – les lasers ultrarapides pourraient augmenter la résolution de l’image mais perdraient la capacité de pénétrer les murs – ou les ondes sonores utilisées pour les applications d’imagerie sonar et ultrasonore.

En plus de l’imagerie des conditions d’urgence et des débris spatiaux, la nouvelle méthode pourrait également être utilisée pour mesurer la vitesse des ondes de choc, une mesure clé pour évaluer les explosifs, et pour surveiller les signes vitaux tels que la fréquence cardiaque et la respiration, a déclaré da Silva.

Référence : « Continuous Capture Microwave Imaging » par Fabio CS da Silva, Anthony B. Kos, Grace E. Antonucci, Jason B. Coder, Craig W. Nelson et Archita Hati, 25 juin 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-24219-0

Ce travail a été financé en partie par le Public Safety Trust Fund, qui fournit un financement aux organisations du NIST en tirant parti de l’expertise du NIST en matière de communications, de cybersécurité, de fabrication et de capteurs pour la recherche sur les technologies essentielles et vitales pour les premiers intervenants.

Illustration de la configuration du laboratoire pour m-Widar, avec les émetteurs et le récepteur à gauche et la personne derrière le panneau mural à droite. L’encart en bas à droite montre l’image correspondante produite par l’instrument. Crédit : NIST

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et de Wavsens LLC ont développé une méthode d’utilisation des signaux radio pour créer des images et des vidéos en temps réel d’objets cachés et en mouvement, ce qui pourrait aider les pompiers à trouver des voies d’évacuation ou des victimes à l’intérieur de bâtiments remplis de feu et fumée. La technique pourrait également aider à suivre des objets hypersoniques tels que des missiles et des débris spatiaux.

La nouvelle méthode, décrite dans Communication Nature, pourraient fournir des informations essentielles pour aider à réduire les décès et les blessures. Localiser et suivre les premiers intervenants à l’intérieur est un objectif primordial pour la communauté de la sécurité publique. Des centaines de milliers de débris spatiaux en orbite sont considérés comme dangereux pour les humains et les engins spatiaux.

“Notre système permet une imagerie en temps réel dans les coins et à travers les murs et le suivi d’objets en mouvement rapide tels que des débris spatiaux de la taille d’un millimètre volant à 10 kilomètres par seconde, à plus de 20 000 miles par heure, le tout à des distances de sécurité”, a déclaré le physicien Fabio. da Silva, qui a dirigé le développement du système tout en travaillant au NIST.

Cette démonstration du système m-Widar (détection, analyse et télémétrie d’images micro-ondes) montre, dans la vidéo de gauche, une personne marchant puis accroupie et allongée dans une chambre anéchoïque. Les émetteurs et le récepteur sont dans une ligne verticale sur le côté droit de la chambre. La deuxième vidéo à droite montre la vue de l’instrument de la même scène. Environ 21 secondes après le début de la vidéo, un panneau mural est inséré entre la personne et l’instrument dans la chambre anéchoïque, pour montrer que m-Widar peut « voir » à travers les murs. Crédit : NIST

“Parce que nous utilisons des signaux radio, ils traversent presque tout, comme le béton, les cloisons sèches, le bois et le verre”, a ajouté da Silva. « C’est plutôt cool parce que non seulement nous pouvons regarder derrière les murs, mais il ne faut que quelques microsecondes de données pour créer un cadre d’image. L’échantillonnage se fait à la vitesse de la lumière, aussi vite que physiquement possible.

La méthode d’imagerie du NIST est une variante du radar, qui envoie une impulsion électromagnétique, attend les réflexions et mesure le temps aller-retour pour déterminer la distance à une cible. Le radar multisite a généralement un émetteur et plusieurs récepteurs qui reçoivent les échos et les triangulent pour localiser un objet.

“Nous avons exploité le concept de radar multisite mais dans notre cas, nous utilisons de nombreux émetteurs et un récepteur”, a déclaré da Silva. “De cette façon, tout ce qui se reflète n’importe où dans l’espace, nous pouvons le localiser et l’imager.”

Da Silva explique le processus d’imagerie comme ceci :

«Pour imager un bâtiment, le volume réel d’intérêt est beaucoup plus petit que le volume du bâtiment lui-même, car il s’agit principalement d’un espace vide contenant peu de choses. Pour localiser une personne, vous diviseriez le bâtiment en une matrice de cubes. Normalement, vous transmettriez des signaux radio à chaque cube individuellement et analyseriez les réflexions, ce qui prend beaucoup de temps. En revanche, la méthode NIST sonde tous les cubes en même temps et utilise l’écho de retour de, disons, 10 cubes sur 100 pour calculer où se trouve la personne. Toutes les transmissions renverront une image, les signaux formant un motif et les cubes vides tombant. »

Da Silva a déposé une demande de brevet et il a récemment quitté le NIST pour commercialiser le système sous le nom de m-Widar (détection, analyse et télémétrie d’images micro-ondes) via une start-up, Wavsens LLC (Westminster, Colorado).

L’équipe du NIST a démontré la technique dans une chambre anéchoïque (sans écho), créant des images d’une scène 3D impliquant une personne se déplaçant derrière des cloisons sèches. La puissance de l’émetteur équivalait à 12 téléphones portables envoyant des signaux simultanément pour créer des images de la cible à une distance d’environ 10 mètres (30 pieds) à travers le panneau mural.

Da Silva a déclaré que le système actuel a une portée potentielle allant jusqu’à plusieurs kilomètres. Avec quelques améliorations, la portée pourrait être beaucoup plus étendue, limitée uniquement par la puissance de l’émetteur et la sensibilité du récepteur, a-t-il déclaré.

La technique de base est une forme d’imagerie informatique connue sous le nom de rendu transitoire, qui existe comme outil de reconstruction d’images depuis 2008. L’idée est d’utiliser un petit échantillon de mesures de signal pour reconstruire des images sur la base de modèles et de corrélations aléatoires. La technique a déjà été utilisée dans le codage des communications et la gestion de réseau, l’apprentissage automatique et certaines formes avancées d’imagerie.

Da Silva a combiné des techniques de traitement du signal et de modélisation d’autres domaines pour créer une nouvelle formule mathématique pour reconstruire des images. Chaque émetteur émet différents modèles d’impulsions simultanément, dans un type spécifique de séquence aléatoire, qui interfèrent dans l’espace et le temps avec les impulsions des autres émetteurs et produisent suffisamment d’informations pour construire une image.

Les antennes émettrices fonctionnaient à des fréquences de 200 mégahertz à 10 gigahertz, à peu près la moitié supérieure du spectre radio, qui comprend les micro-ondes. Le récepteur se composait de deux antennes connectées à un numériseur de signal. Les données numérisées ont été transférées sur un ordinateur portable et téléchargées vers l’unité de traitement graphique pour reconstruire les images.

L’équipe du NIST a utilisé la méthode pour reconstruire une scène avec 1,5 milliard d’échantillons par seconde, une fréquence d’images correspondante de 366 kilohertz (images par seconde). En comparaison, cela représente environ 100 à 1 000 fois plus d’images par seconde qu’une caméra vidéo de téléphone portable.

Avec 12 antennes, le système NIST a généré des images de 4096 pixels, avec une résolution d’environ 10 centimètres sur une scène de 10 mètres. Cette résolution d’image peut être utile lorsque la sensibilité ou la confidentialité est une préoccupation. Cependant, la résolution pourrait être améliorée en mettant à niveau le système en utilisant la technologie existante, y compris plus d’antennes de transmission et des générateurs et numériseurs de signaux aléatoires plus rapides.

À l’avenir, les images pourraient être améliorées en utilisant l’intrication quantique, dans laquelle les propriétés des signaux radio individuels deviendraient interconnectées. L’enchevêtrement peut améliorer la sensibilité. Les schémas d’éclairage quantique radiofréquence pourraient augmenter la sensibilité de réception.

La nouvelle technique d’imagerie pourrait également être adaptée pour transmettre la lumière visible au lieu des signaux radio – les lasers ultrarapides pourraient augmenter la résolution de l’image mais perdraient la capacité de pénétrer les murs – ou les ondes sonores utilisées pour les applications d’imagerie sonar et ultrasonore.

En plus de l’imagerie des conditions d’urgence et des débris spatiaux, la nouvelle méthode pourrait également être utilisée pour mesurer la vitesse des ondes de choc, une mesure clé pour évaluer les explosifs, et pour surveiller les signes vitaux tels que la fréquence cardiaque et la respiration, a déclaré da Silva.

Référence : « Continuous Capture Microwave Imaging » par Fabio CS da Silva, Anthony B. Kos, Grace E. Antonucci, Jason B. Coder, Craig W. Nelson et Archita Hati, 25 juin 2021, Communication Nature.
DOI : 10.1038/s41467-021-24219-0

Ce travail a été financé en partie par le Public Safety Trust Fund, qui fournit un financement aux organisations du NIST en tirant parti de l’expertise du NIST en matière de communications, de cybersécurité, de fabrication et de capteurs pour la recherche sur les technologies essentielles et vitales pour les premiers intervenants.