“順風(fēng)耳”真的存在！生命探測(cè)雷達(dá)如何“聽(tīng)”到厚厚廢墟下的微弱心跳？

圖蟲(chóng)創(chuàng)意

說(shuō)到雷達(dá)，很多人會(huì)讓人想到軍事，因?yàn)樽钤绲睦走_(dá)應(yīng)用就是軍事目的的。但有一種雷達(dá)，它的使命是救命，這就是專(zhuān)門(mén)用來(lái)探測(cè)特殊物體的生命探測(cè)雷達(dá)。它的目標(biāo)不是飛機(jī)、導(dǎo)彈和衛(wèi)星，而是被掩埋在厚厚廢墟下的人。

用雷達(dá)探測(cè)生命特征，特別是在人類(lèi)救援和醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)中，有著巨大的應(yīng)用潛力。然而，這一技術(shù)的實(shí)現(xiàn)卻面臨多重挑戰(zhàn)。為了幫助大家更容易去理解我下面將要講到的技術(shù)挑戰(zhàn)，咱們有必要先來(lái)看看雷達(dá)一般是怎么工作的。一個(gè)典型的雷達(dá)系統(tǒng)主要包括發(fā)射機(jī)、接收機(jī)、天線、信號(hào)處理單元和顯示單元等部分。發(fā)射機(jī)產(chǎn)生高頻電磁波，并通過(guò)天線向目標(biāo)方向發(fā)射。這些電磁波在遇到目標(biāo)時(shí)會(huì)產(chǎn)生反射或散射。接收機(jī)通過(guò)天線接收來(lái)自目標(biāo)的反射信號(hào)，并進(jìn)行初步的信號(hào)放大和濾波處理。天線負(fù)責(zé)電磁波的發(fā)射和接收，其性能直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的探測(cè)能力。高靈敏度和高指向性的天線能夠有效提高系統(tǒng)的探測(cè)范圍和精度。信號(hào)處理單元對(duì)接收的反射信號(hào)進(jìn)行處理，包括濾波、放大、頻譜分析、特征提取等步驟，以提取有用的目標(biāo)信息。顯示單元將處理后的信號(hào)轉(zhuǎn)換為可視化信息，如圖像、波形或數(shù)據(jù)，供用戶觀察和分析。

有了這個(gè)基礎(chǔ)之后，接著咱們就來(lái)看看生命探測(cè)雷達(dá)需要面對(duì)的挑戰(zhàn)。大概有以下4點(diǎn)：檢測(cè)信號(hào)微弱度、環(huán)境干擾和噪聲、目標(biāo)識(shí)別的復(fù)雜性，以及實(shí)現(xiàn)技術(shù)交叉的難度。

先看微弱信號(hào)的檢測(cè)。生命特征如心跳和呼吸會(huì)引起人體表面微小的運(yùn)動(dòng)，這些運(yùn)動(dòng)的頻率僅為零點(diǎn)幾赫茲，幅度僅為毫米級(jí)。這種微動(dòng)頻率極低，導(dǎo)致其回波信號(hào)極易被雷達(dá)系統(tǒng)固有的噪聲淹沒(méi)。正如空軍軍醫(yī)大學(xué)的王健琪教授所比喻的，“要想感知它，猶如將縫衣針落地的聲音，從集市嘈雜環(huán)境中分離出來(lái)，并放大到能聽(tīng)見(jiàn)的響度”。微動(dòng)信號(hào)的檢測(cè)需要極高的信噪比和精確的信號(hào)處理技術(shù)，這是雷達(dá)探測(cè)生命特征面臨的首要難題。

接著，雷達(dá)信號(hào)在傳播過(guò)程中會(huì)受到多種因素的干擾，如墻壁、金屬物體、甚至天氣等。這些干擾會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射和散射，使得從雷達(dá)回波中提取有用的生命特征信號(hào)變得異常困難。例如，在地震后的救援現(xiàn)場(chǎng)，建筑廢墟中存在大量的反射和散射源，極大地增加了信號(hào)處理的難度。

此外，雷達(dá)系統(tǒng)自身的噪聲和環(huán)境噪聲也是需要克服的重要障礙。而在實(shí)際應(yīng)用中，如何準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)并判斷其生命狀況是另一個(gè)重大挑戰(zhàn)。例如，如何區(qū)分人和動(dòng)物的微動(dòng)信號(hào)，如何通過(guò)信號(hào)判斷被困人員的生命狀態(tài)等，這些都需要復(fù)雜的信號(hào)處理和分析技術(shù)。生命特征信號(hào)的復(fù)雜性和多樣性使得目標(biāo)識(shí)別變得非常困難。針對(duì)不同場(chǎng)景和應(yīng)用需求，雷達(dá)系統(tǒng)需要具備高度的靈活性和智能化水平，以應(yīng)對(duì)各種復(fù)雜情況。

最后，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)探測(cè)生命特征的技術(shù)涉及多個(gè)領(lǐng)域的交叉，包括雷達(dá)技術(shù)、信號(hào)處理、生物醫(yī)學(xué)工程等。需要綜合運(yùn)用多種技術(shù)手段，如高頻微波技術(shù)、數(shù)字信號(hào)處理、機(jī)器學(xué)習(xí)等，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)生命特征的有效探測(cè)。每個(gè)環(huán)節(jié)都需要精細(xì)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，任何一個(gè)環(huán)節(jié)的失誤都可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效。此外，雷達(dá)系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)也面臨挑戰(zhàn)，如高靈敏度的雷達(dá)天線、低噪聲的接收系統(tǒng)、高效的信號(hào)處理單元等，都需要精心設(shè)計(jì)和制造。

這就是為什么雷達(dá)探測(cè)生命特征一直被認(rèn)為是一個(gè)世界性難題。

自上世紀(jì)九十年代，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)便開(kāi)始探索雷達(dá)探測(cè)生命特征。王健琪教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)通過(guò)多年的努力，成功研制出我國(guó)首臺(tái)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的生物雷達(dá)。這種雷達(dá)能夠穿透障礙物，檢測(cè)到生命體的微小運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)被困人員的有效探測(cè)。

為了捕捉微弱的生命信號(hào)，團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了全新的零中頻收發(fā)系統(tǒng)，通過(guò)控制相參信號(hào)延時(shí)，將系統(tǒng)固有噪聲與體表微動(dòng)引起的回波區(qū)隔開(kāi)來(lái)。此外，通過(guò)深入研究生命特征信號(hào)的生理特征，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種對(duì)生命信號(hào)高敏感的雷達(dá)收發(fā)系統(tǒng)，解決了信號(hào)濾波與功率放大的匹配問(wèn)題。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，團(tuán)隊(duì)又實(shí)現(xiàn)了從生物雷達(dá)到“透視眼鏡”的跨越式發(fā)展。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)設(shè)計(jì)和迭代超材料——即一種通過(guò)精心設(shè)計(jì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而不是依賴于其組成材料的化學(xué)性質(zhì)來(lái)獲得特定物理特性的人工材料——將其打造成可光學(xué)透視的超表面，通常是由具有特殊幾何形狀的微小結(jié)構(gòu)組成的薄層，可以控制光的相位、振幅和偏振等屬性，覆蓋在生物雷達(dá)的外表層。當(dāng)生物雷達(dá)發(fā)射的電磁波經(jīng)過(guò)超表面時(shí)，超表面可以根據(jù)眼動(dòng)信息，靈活調(diào)控電磁波的傳播方向和特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確探測(cè)。做到了 “看哪兒探哪兒”，極大地增強(qiáng)了設(shè)備的靈活性和智能化水平，為災(zāi)害救援提供了更便捷的解決方案。

中國(guó)科學(xué)家的這些技術(shù)突破不僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段，還經(jīng)過(guò)了實(shí)戰(zhàn)檢驗(yàn)。在2008年的汶川地震救援中，王健琪教授的團(tuán)隊(duì)攜帶生物雷達(dá)設(shè)備，成功在廢墟中探測(cè)到幸存者的生命信號(hào)，為救援行動(dòng)提供了寶貴的信息支持。通過(guò)實(shí)地檢測(cè)，生物雷達(dá)可以穿透三層樓倒塌后的廢墟，顯示出其強(qiáng)大的探測(cè)能力和應(yīng)用價(jià)值。

不過(guò)，我們還是要清楚的認(rèn)識(shí)到，雖然中國(guó)在雷達(dá)探測(cè)生命特征方面的研究已取得顯著成果，但與國(guó)際先進(jìn)技術(shù)相比，仍存在一定差距。國(guó)際上，如美國(guó)和歐洲的研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)，在雷達(dá)探測(cè)生命特征的技術(shù)研究上起步較早，擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。例如，美國(guó)麻省理工學(xué)院開(kāi)發(fā)的微動(dòng)雷達(dá)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)高精度的生命體征監(jiān)測(cè)，歐洲一些企業(yè)也推出了商用的生命探測(cè)雷達(dá)設(shè)備。

然而，中國(guó)在該領(lǐng)域的研究也在迅速追趕。通過(guò)自主創(chuàng)新和技術(shù)攻關(guān)，中國(guó)科研團(tuán)隊(duì)不僅成功研制出高性能的生物雷達(dá)設(shè)備，還實(shí)現(xiàn)了從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用的快速轉(zhuǎn)化。例如，在汶川地震后的搜救行動(dòng)中，中國(guó)團(tuán)隊(duì)攜帶的生物雷達(dá)設(shè)備發(fā)揮了重要作用，證明了其在實(shí)際救援中的有效性。未來(lái)，雷達(dá)探測(cè)生命特征的技術(shù)將有著廣闊的應(yīng)用前景。首先，在災(zāi)害救援中，該技術(shù)可以快速定位被困人員，為救援爭(zhēng)取寶貴時(shí)間。其次，在醫(yī)學(xué)監(jiān)測(cè)中，非接觸式的雷達(dá)生命體征監(jiān)測(cè)設(shè)備可以用于醫(yī)院和家庭護(hù)理，提高病人的監(jiān)測(cè)精度和舒適度。此外，該技術(shù)還可以應(yīng)用于安防和軍事領(lǐng)域，例如檢測(cè)潛在的安全威脅和監(jiān)測(cè)戰(zhàn)場(chǎng)傷員等。隨著技術(shù)的不斷成熟和優(yōu)化，雷達(dá)探測(cè)生命特征的應(yīng)用將更加廣泛和深入。特別是在人工智能和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)的加持下，該技術(shù)的智能化和自動(dòng)化水平將進(jìn)一步提升，帶來(lái)更加精準(zhǔn)和高效的探測(cè)能力。

在雷達(dá)探測(cè)生命特征領(lǐng)域，中國(guó)與國(guó)際同行之間既有合作也有競(jìng)爭(zhēng)。通過(guò)國(guó)際合作，中國(guó)科學(xué)家能夠借鑒和學(xué)習(xí)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，加速自身的技術(shù)發(fā)展。同時(shí)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和突破，中國(guó)在這一領(lǐng)域逐漸形成了自身的優(yōu)勢(shì)和特色。中國(guó)的生物雷達(dá)和“透視眼鏡”系統(tǒng)在性能和應(yīng)用場(chǎng)景上都具有獨(dú)特的創(chuàng)新，為國(guó)際雷達(dá)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路和方案。在未來(lái)的發(fā)展中，雷達(dá)探測(cè)生命特征技術(shù)將繼續(xù)發(fā)揮其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，為人類(lèi)社會(huì)的發(fā)展和安全做出更大的貢獻(xiàn)。

本文為科普中國(guó)·創(chuàng)作培育計(jì)劃扶持作品
作者：火箭叔 科普創(chuàng)作者

審核：肖龍 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 教授

出品：中國(guó)科協(xié)科普部

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