도시에 도착한 지 몇 초 만에 지진은 엄청난 파괴를 초래할 수 있다. 집이 무너지고 고층 건물이 잔해로 변하고 사람과 동물이 잔해 속에 묻혀 있다. 그러한 학살의 즉각적인 여파로 응급 요원은 집이나 사무실이었던 곳에서 생명의 흔적을 필사적으로 찾는다. 그러나 종종 그들은 잘못된 잔해 더미를 파고 있었고 귀중한 시간이 지났다.

 

구조 대원이 잔해를 통해 잔해 아래에서 생존자를 찾아내고, 활력 징후를 측정하고, 심지어 피해자의 이미지를 생성할 수 있다고 상상해보라. 이것은 투시 벽 레이더 기술을 사용하여 빠르게 가능해지고 있다. 사람이 방에 있는지 여부를 나타내는 기술의 초기 버전은 수년 동안 사용되어 왔으며 일부는 잔해보다 더 나은 조건에서 활력 징후를 측정할 수 있다.

 

나는 전자기 통신 및 이미징 시스템을 연구하는 전기엔지니어이다. 나와 다른 사람들은 많은 양의 데이터를 수집하는 고속 컴퓨터, 새로운 알고리즘 및 레이더 트랜시버를 사용하여 공상과학 소설과 만화의 X-ray 비전에 훨씬 더 가까운 것을 가능하게 한다. 이 새로운 기술을 통해 벽이나 장벽 뒤에 얼마나 많은 탑승자가 있는지, 어디에 있는지, 어떤 물건을 들고 있을지, 경찰이나 군사 용도로 어떤 종류의 방탄복을 입었는지 확인할 수 있다.

 

이 투과형 레이더는 개인의 움직임, 심장 및 호흡률도 추적할 수 있다. 또한 이 기술은 건물의 전체 배치부터 벽 내부의 파이프와 와이어 위치까지 먼 거리에서 확인하고 숨겨진 무기와 부비 트랩을 탐지하는 데 사용될 수 있다.

 

시스루 월 기술은 냉전 이후 스파이를 위해 벽을 관통하는 구멍을 대체하는 방법으로 개발 중에 있다. 현재 시중에는 Range-R 레이더와 같이 법 집행관이 벽 뒤의 움직임을 추적하는 데 사용하는 몇 가지 상용 제품이 있다.

 

레이더 작동 원리

 

레이더는 무선 감지 및 거리 측정을 의미한다. 전파를 사용하여 레이더는 빛의 속도로 이동하는 신호를 보낸다. 예를 들어 신호가 비행기와 같은 물체에 닿으면 수신기 쪽으로 다시 반사되고 일정 시간 지연 후 레이더 화면에 에코가 표시된다. 그런 다음이 에코를 사용하여 물체의 위치를 ​​추정할 수 있다.

 

1842년 오스트리아의 물리학자인 크리스티안 도플러(Christian Doppler)는 현재 도플러 효과 또는 도플러 이동으로 알려진 현상을 설명했다. 여기서 신호 주파수의 변화는 신호 소스의 속도 및 방향과 관련이 있다. 도플러의 원래 사례에서 이것은 쌍성계의 빛이었다. 이것은 비상 차량이 당신을 향해 속도를 내고 지나가 다가 멀어질 때 사이렌의 피치를 변경하는 것과 유사하다. 도플러 레이더는 이 효과를 사용하여 전송 및 반사된 신호의 주파수를 비교하여 뇌우 및 과속 자동차와 같은 움직이는 물체의 방향과 속도를 결정한다.

 

도플러 효과는 호흡과 관련된 심장 박동 및 가슴 움직임을 포함하여 작은 움직임을 감지하는 데 사용할 수 있다. 이 예에서 도플러 레이더는 인체에 ​​신호를 보내고 반사된 신호는 사람이 숨을 들이 쉬는 지 숨을 들이 쉬는 않는 지에 따라 또는 심지어 사람의 심박수에 따라 다르다. 이를 통해 기술은 이러한 활력 징후를 정확하게 측정할 수 있다.

 

레이더가 벽을 통과하는 방법

 

휴대폰과 마찬가지로 레이더는 전자파를 사용한다. 파도가 건식 벽체 또는 나무 벽과 같은 단단한 벽에 부딪히면 파도의 일부가 표면에서 반사된다. 그러나 나머지는 특히 상대적으로 낮은 무선 주파수에서 벽을 통해 이동한다. 인체의 수분 함량이 높아 반사율이 높기 때문에 투과된 파동은 금속 물체나 사람에 닿으면 완전히 반사될 수 있다.

 

레이더의 수신기가 일반 레이더 수신기보다 훨씬 더 민감하다면 벽을 통해 반사되는 신호를 포착할 수 있다. 잘 정립된 신호 처리 기술을 사용하여 벽과 가구와 같은 정적 물체의 반사를 필터링하여 사람의 위치와 같은 관심 신호를 분리할 수 있다.

 

 

레이더를 사용하여 벽의 반대편에 있는 물체를 추적하는 핵심은 크게 감소된 반사 전파를 포착할 수 있는 매우 민감한 안테나를 사용하는 것이다. Abdel-Kareem Moadi, CC BY-ND

 

데이터를 이미지로 변환

 

역사적으로 레이더 기술은 단풍이나 잔해와 같은 복잡한 환경에서 배경 소음을 걸러 내고 라이브 이미지를 생성할 수 있는 충분한 계산 능력이나 속도가 없기 때문에 재난 관리 및 법 집행을 지원하는 능력이 제한되었다.

 

그러나 오늘날 레이더 센서는 열악한 환경에서도 대량의 데이터를 수집 및 처리하고 표적의 고해상도 이미지를 생성하는 경우가 많다. 정교한 알고리즘을 사용하여 거의 실시간으로 데이터를 표시할 수 있다. 이를 위해서는 이러한 대량의 데이터를 빠르게 처리할 수 있는 빠른 컴퓨터 프로세서와 이미지의 해상도를 향상시키기 위해 데이터를 빠르게 전송할 수 있는 광대역 회로가 필요하다.

 

5G에서 5G + 및 그 이상에 이르는 밀리미터 파 무선 기술의 최근 개발은이 기술을 더욱 개선하여 더 넓은 대역폭을 통해 더 높은 해상도 이미지를 제공하는 데 도움이 될 것이다. 무선 기술은 데이터 전송과 수신 사이의 시간인 대기시간을 크게 줄이므로 데이터 처리 시간도 단축할 수 있다.

 

내 연구실에서는 벽의 전기적 특성을 원격으로 특성화 하는 빠른 방법을 개발하고 있다. 이 방법은 레이더 파동을 보정하고 안테나를 최적화하여 파동이 벽을 더 쉽게 통과하고 본질적으로 벽을 파동에 투명하게 만드는 데 도움이 된다. 또한 레이더 시스템의 빅 데이터 분석을 거의 실시간으로 수행할 수 있는 소프트웨어 및 하드웨어 시스템을 개발하고 있다.

 

이 실험실 벽 관통 레이더는 오늘날의 상용 시스템보다 더 자세한 정보를 제공한다. Aly Fathy

 

더 나은 전자 제품은 휴대용 레이더를 약속한다.

 

일반적으로 벽을 통과하는 데 필요한 저주파 레이더 시스템은 안테나 크기가 크기 때문에 부피가 크다. 전자기 신호의 파장은 안테나의 크기에 해당한다. 과학자들은 더 작고 더 많은 휴대용 시스템을 구축하기 위해 투시 벽 레이더 기술을 더 높은 주파수로 밀어붙였다.

 

이 기술은 응급 서비스, 법 집행 및 군대를 위한 도구를 제공하는 것 외에도 병원 외부에서 노인을 모니터링하고 코로나19와 같은 전염병 환자의 활력 징후를 읽는 데 사용될 수 있다.

 

투명 벽 레이더의 잠재력을 나타내는 한 가지 지표는 미군의 관심이다. 그들은 거의 실시간으로 건물과 거주자의 3차원지도를 만들 수 있는 기술을 찾고 있다. 그들은 심지어 안면 인식 시스템이 벽 뒤에 있는 사람을 식별할 수 있을 만큼 정확한 사람의 얼굴 이미지를 생성할 수 있는 투명 벽 레이더를 찾고 있다.

 

연구원이 얼굴로 사람을 구별할 수 있을 만큼 민감한 투명 벽 레이더를 개발할 수 있는지 여부에 관계없이 이 기술은 화면의 얼룩을 훨씬 뛰어 넘어 초인적인 힘과 같은 것을 최초 대응자에게 제공할 가능성이 높다.

 

글쓴이: Aly Fathy

 

Professor of Electrical Engineering, University of Tennessee