„Super Ear“ gibt es wirklich! Wie „hört“ das Lebenserkennungsradar den schwachen Herzschlag unter den dicken Trümmern?

Tuchong Creative

Wenn von Radar die Rede ist, denken viele Menschen an das Militär, denn die ersten Radaranwendungen erfolgten zu militärischen Zwecken. Aber es gibt eine Art Radar, dessen Aufgabe es ist, Leben zu retten. Es handelt sich um ein Lebenserkennungsradar, das speziell zum Erkennen besonderer Objekte verwendet wird. Ihr Ziel sind nicht Flugzeuge, Raketen und Satelliten, sondern Menschen, die unter dicken Trümmern begraben sind.

Der Einsatz von Radar zur Erkennung von Lebenszeichen bietet großes Anwendungspotenzial, insbesondere in der Menschenrettung und der medizinischen Überwachung. Die Implementierung dieser Technologie ist jedoch mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Damit Sie die technischen Herausforderungen, die ich im Folgenden beschreibe, besser verstehen, müssen wir uns zunächst die allgemeine Funktionsweise eines Radars ansehen. Ein typisches Radarsystem besteht im Wesentlichen aus Sender, Empfänger, Antenne, Signalverarbeitungseinheit und Anzeigeeinheit. Der Sender erzeugt hochfrequente elektromagnetische Wellen und sendet diese über die Antenne in Zielrichtung. Diese elektromagnetischen Wellen werden reflektiert oder gestreut, wenn sie auf ein Ziel treffen. Der Empfänger empfängt das reflektierte Signal vom Ziel über die Antenne und führt eine vorläufige Signalverstärkung und -filterung durch. Die Antenne ist für das Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen verantwortlich und ihre Leistung wirkt sich direkt auf die Erkennungsfähigkeit des Radarsystems aus. Hochempfindliche und stark gerichtete Antennen können die Erfassungsreichweite und Genauigkeit des Systems effektiv verbessern. Die Signalverarbeitungseinheit verarbeitet das empfangene reflektierte Signal, einschließlich Filterung, Verstärkung, Spektrumanalyse, Merkmalsextraktion und anderen Schritten, um nützliche Zielinformationen zu extrahieren. Die Anzeigeeinheit wandelt das verarbeitete Signal in visuelle Informationen wie Bilder, Wellenformen oder Daten um, die der Benutzer beobachten und analysieren kann.

Auf dieser Grundlage wollen wir nun einen Blick auf die Herausforderungen werfen, denen sich Radargeräte zur Lebenserkennung stellen müssen. Es gibt wahrscheinlich vier Punkte: Schwäche des Erkennungssignals, Störungen und Rauschen aus der Umgebung, die Komplexität der Zielidentifizierung und die Schwierigkeit, eine technische Überkreuzung zu erreichen.

Schauen wir uns zunächst die Erkennung schwacher Signale an. Lebenszeichen wie Herzschlag und Atmung verursachen winzige Bewegungen auf der Oberfläche des menschlichen Körpers mit einer Frequenz von nur wenigen Zehntel Hertz und einer Amplitude von nur Millimetern. Die Frequenz dieser Mikrobewegung ist extrem niedrig, weshalb ihr Echosignal leicht durch das Eigenrauschen des Radarsystems übertönt wird. Professor Wang Jianqi von der Air Force Medical University drückte es so aus: „Es wahrzunehmen ist, als würde man das Geräusch einer auf den Boden fallenden Nähnadel aus der lauten Umgebung eines Marktes herauslösen und auf ein hörbares Niveau verstärken.“ Die Erkennung von Mikrobewegungssignalen erfordert ein extrem hohes Signal-Rausch-Verhältnis und eine präzise Signalverarbeitungstechnologie. Dies ist die größte Herausforderung für Radargeräte bei der Erkennung von Lebensmerkmalen.

Dann wird das Radarsignal während des Ausbreitungsprozesses durch verschiedene Faktoren gestört, beispielsweise durch Wände, Metallgegenstände und sogar das Wetter. Diese Störungen verursachen Signalreflexionen und -streuungen, wodurch es äußerst schwierig wird, aus Radarechos nützliche Lebenssignatursignale zu extrahieren. Beispielsweise gibt es an einem Rettungsort nach einem Erdbeben eine große Anzahl von Reflexions- und Streuquellen in den Gebäuderuinen, was die Signalverarbeitung erheblich erschwert.

Darüber hinaus stellen das Eigenrauschen des Radarsystems und Umgebungsgeräusche wichtige Hindernisse dar, die überwunden werden müssen. In der Praxis besteht eine weitere große Herausforderung darin, das Ziel genau zu identifizieren und seinen Lebensstatus zu bestimmen. Um beispielsweise die Mikrobewegungssignale von Menschen und Tieren zu unterscheiden oder den Lebenszustand eingeschlossener Personen anhand von Signalen zu bestimmen usw., sind komplexe Technologien zur Signalverarbeitung und -analyse erforderlich. Die Komplexität und Vielfalt der Lebenssignatursignale machen die Zielidentifizierung sehr schwierig. Als Reaktion auf unterschiedliche Szenarien und Anwendungsanforderungen muss das Radarsystem über ein hohes Maß an Flexibilität und Intelligenz verfügen, um mit verschiedenen komplexen Situationen fertig zu werden.

Schließlich umfasst die Technologie zur Realisierung der Radarerkennung von Lebensmerkmalen die Schnittstelle mehrerer Bereiche, darunter Radartechnologie, Signalverarbeitung, Biomedizintechnik usw. Sie erfordert den umfassenden Einsatz mehrerer technischer Mittel, wie Hochfrequenz-Mikrowellentechnologie, digitale Signalverarbeitung, maschinelles Lernen usw., um eine effektive Erkennung von Lebensmerkmalen zu erreichen. Jeder Link erfordert eine sorgfältige Planung und Optimierung, und jeder Fehler in einem Link kann zum Ausfall des gesamten Systems führen. Darüber hinaus ist auch die Hardwareimplementierung des Radarsystems mit Herausforderungen verbunden, wie beispielsweise hochempfindliche Radarantennen, rauscharme Empfangssysteme, effiziente Signalverarbeitungseinheiten usw., die alle eine sorgfältige Konstruktion und Herstellung erfordern.

Aus diesem Grund wird die Radarerkennung von Lebenszeichen seit langem als globale Herausforderung angesehen.

Seit den 1990er Jahren erforschen chinesische wissenschaftliche Forschungsteams den Einsatz von Radar zur Erkennung von Lebenszeichen. Nach Jahren harter Arbeit ist es dem Team um Professor Wang Jianqi gelungen, das erste biologische Radar meines Landes mit unabhängigen geistigen Eigentumsrechten zu entwickeln. Dieses Radar kann Hindernisse durchdringen, kleinste Bewegungen von Lebewesen erkennen und eingeschlossene Personen effektiv aufspüren.

Um schwache Lebenssignale zu erfassen, baute das Team ein neues Zero-IF-Transceiver-System, das durch die Steuerung der kohärenten Signalverzögerung das systemeigene Rauschen von den durch Mikrobewegungen auf der Körperoberfläche verursachten Echos trennt. Darüber hinaus entwickelte das Team durch eingehende Forschungen zu den physiologischen Eigenschaften von Lebenssignatursignalen ein Radar-Transceiversystem, das hochempfindlich auf Lebenssignale reagiert und das Anpassungsproblem der Signalfilterung und Leistungsverstärkung löst.

Durch die kontinuierliche Weiterentwicklung der Technologie ist dem Team der Sprung vom biologischen Radar zur „Röntgenbrille“ gelungen. Das Forschungsteam entwarf und iterierte Metamaterialien – künstliche Materialien, die bestimmte physikalische Eigenschaften durch sorgfältige Gestaltung ihrer inneren Struktur erhalten, anstatt sich auf die chemischen Eigenschaften ihrer Bestandteile zu verlassen –, um optisch transparente Metaoberflächen zu erzeugen. Dabei handelt es sich normalerweise um dünne Schichten aus winzigen Strukturen mit speziellen geometrischen Formen, die Eigenschaften wie Phase, Amplitude und Polarisation des Lichts steuern können und die äußere Schicht des Bioradars bedecken. Wenn die vom Bioradar ausgesendeten elektromagnetischen Wellen die Metaoberfläche durchdringen, kann die Metaoberfläche die Ausbreitungsrichtung und die Eigenschaften der elektromagnetischen Wellen basierend auf Informationen zur Augenbewegung flexibel anpassen, um eine genaue Erkennung des Ziels zu erreichen. Das Ziel, „hinzusehen und zu erkunden, wo immer Sie wollen“, wurde erreicht. Dadurch wurden die Flexibilität und Intelligenz der Ausrüstung erheblich verbessert und eine bequemere Lösung für die Katastrophenhilfe bereitgestellt.

Diese technologischen Durchbrüche chinesischer Wissenschaftler befinden sich nicht nur noch im Laborstadium, sondern wurden auch im tatsächlichen Kampf getestet. Während der Rettungsarbeiten nach dem Erdbeben in Wenchuan im Jahr 2008 war das Team von Professor Wang Jianqi mit biologischen Radargeräten ausgestattet und konnte erfolgreich Lebenssignale von Überlebenden in den Trümmern erfassen, was wertvolle Informationen für die Rettungsaktion lieferte. Durch Feldversuche wurde gezeigt, dass ein Bioradar die Ruinen eines eingestürzten dreistöckigen Gebäudes durchdringen kann, was seine leistungsstarken Erkennungsfähigkeiten und seinen Anwendungswert demonstriert.

Wir müssen uns jedoch darüber im Klaren sein, dass China zwar bemerkenswerte Ergebnisse in der Forschung zur Radarerkennung von Lebensmerkmalen erzielt hat, im Vergleich zu den hochentwickelten Technologien auf internationaler Ebene jedoch immer noch eine gewisse Lücke besteht. Auf internationaler Ebene haben Forschungseinrichtungen und Unternehmen, beispielsweise in den USA und Europa, schon früh mit der technischen Erforschung der Radarerkennung von Lebensmerkmalen begonnen und umfangreiche Erfahrungen und Technologien angesammelt. Beispielsweise ermöglicht das vom Massachusetts Institute of Technology entwickelte Mikrobewegungsradarsystem eine hochpräzise Überwachung der Vitalfunktionen, und einige europäische Unternehmen haben auch kommerzielle Radargeräte zur Lebenserkennung auf den Markt gebracht.

Allerdings holt auch die chinesische Forschung auf diesem Gebiet schnell auf. Durch unabhängige Innovationen und technologische Durchbrüche gelang es dem chinesischen wissenschaftlichen Forschungsteam nicht nur, leistungsstarke biologische Radargeräte zu entwickeln, sondern auch eine schnelle Umsetzung vom Labor in die praktische Anwendung zu erreichen. So spielte beispielsweise bei den Such- und Rettungsaktionen nach dem Erdbeben in Wenchuan die vom chinesischen Team mitgeführte Bioradar-Ausrüstung eine wichtige Rolle und bewies ihre Wirksamkeit bei der tatsächlichen Rettung. Die Radartechnologie zur Erkennung von Lebensmerkmalen wird in Zukunft breite Anwendungsaussichten haben. Erstens können mit dieser Technologie bei der Katastrophenhilfe eingeschlossene Personen schnell geortet und so wertvolle Zeit für die Rettung gewonnen werden. Zweitens können berührungslose Radargeräte zur Überwachung der Vitalfunktionen in Krankenhäusern und der häuslichen Pflege zur medizinischen Überwachung eingesetzt werden, um die Genauigkeit und den Komfort der Patientenüberwachung zu verbessern. Darüber hinaus kann diese Technologie auch im Sicherheits- und Militärbereich eingesetzt werden, beispielsweise zur Erkennung potenzieller Sicherheitsbedrohungen und zur Überwachung von Opfern auf dem Schlachtfeld. Mit der Weiterentwicklung und Optimierung der Technologie wird die Anwendung der Radarerkennung von Lebensmerkmalen immer umfassender und detaillierter werden. Insbesondere durch die Unterstützung von Technologien der künstlichen Intelligenz und des maschinellen Lernens werden der Intelligenz- und Automatisierungsgrad dieser Technologie weiter verbessert, was zu genaueren und effizienteren Erkennungsmöglichkeiten führt.

Auf dem Gebiet der Radarerkennung von Lebensmerkmalen gibt es zwischen China und seinen internationalen Partnern sowohl Kooperation als auch Wettbewerb. Durch internationale Zusammenarbeit können chinesische Wissenschaftler auf fortschrittliche ausländische Technologien und Erfahrungen zurückgreifen und davon lernen, um ihre eigene technologische Entwicklung zu beschleunigen. Gleichzeitig hat China durch technologische Innovationen und Durchbrüche schrittweise seine eigenen Vorteile und Besonderheiten auf diesem Gebiet entwickelt. Chinas biologische Radar- und „Röntgenbrillen“-Systeme weisen einzigartige Innovationen hinsichtlich Leistung und Anwendungsszenarien auf und liefern neue Ideen und Lösungen für die Entwicklung der internationalen Radarerkennungstechnologie. Auch in der zukünftigen Entwicklung wird die Technologie zur Radarerkennung von Lebensmerkmalen ihre einzigartigen Vorteile ausspielen und einen größeren Beitrag zur Entwicklung und Sicherheit der menschlichen Gesellschaft leisten.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird. Autor: Rocket Uncle Science Popularization Creator

Gutachter: Xiao Long, Professor der China University of Geosciences

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.