“順風耳”真的存在！生命探測雷達如何“聽”到厚厚廢墟下的微弱心跳？

本文轉自：人民網-科普中國

說到雷達，很多人都會想到軍事，因爲最早的雷達應用就是軍事目的。但有一種雷達，它的使命是救命，這就是專門用來探測特殊物體的生命探測雷達。它的目標不是飛機、導彈和衛星，而是被掩埋在厚厚廢墟下的人。

用雷達探測生命特徵，特別是在人類救援和醫學監測中，有着巨大的應用潛力。然而，這一技術的實現卻面臨多重挑戰。爲了幫助大家更容易理解下面要講到的技術挑戰，咱們有必要先來看看雷達一般是怎麼工作的。

一個典型的雷達系統主要包括髮射機、接收機、天線、信號處理單元和顯示單元等部分。發射機產生高頻電磁波，並通過天線向目標方向發射。這些電磁波在遇到目標時會產生反射或散射。接收機通過天線接收來自目標的反射信號，並進行初步的信號放大和濾波處理。天線負責電磁波的發射和接收，其性能直接影響雷達系統的探測能力。高靈敏度和高指向性的天線能夠有效提高系統的探測範圍和精度。信號處理單元對接收的反射信號進行處理，包括濾波、放大、頻譜分析、特徵提取等步驟，以提取有用的目標信息。顯示單元將處理後的信號轉換爲可視化信息，如圖像、波形或數據，供用戶觀察和分析。

有了這個基礎之後，接着咱們就來看看生命探測雷達需要面對的挑戰。大概有以下4點：檢測信號微弱度、環境干擾和噪聲、目標識別的複雜性，以及實現技術交叉的難度。

先看微弱信號的檢測。生命特徵如心跳和呼吸會引起人體表面微小的運動，這些運動的頻率僅爲零點幾赫茲，幅度僅爲毫米級。這種微動頻率極低，導致其回波信號極易被雷達系統固有的噪聲淹沒。正如空軍軍醫大學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，從集市嘈雜環境中分離出來，並放大到能聽見的響度”。微動信號的檢測需要極高的信噪比和精確的信號處理技術，這是雷達探測生命特徵面臨的首要難題。

接着，雷達信號在傳播過程中會受到多種因素的干擾，如牆壁、金屬物體、甚至天氣等。這些干擾會導致信號反射和散射，使得從雷達回波中提取有用的生命特徵信號變得異常困難。例如，在地震後的救援現場，建築廢墟中存在大量的反射和散射源，極大地增加了信號處理的難度。

此外，雷達系統自身的噪聲和環境噪聲也是需要克服的重要障礙。而在實際應用中，如何準確識別目標並判斷其生命狀況是另一個重大挑戰。例如，如何區分人和動物的微動信號，如何通過信號判斷被困人員的生命狀態等，這些都需要複雜的信號處理和分析技術。生命特徵信號的複雜性和多樣性使得目標識別變得非常困難。針對不同場景和應用需求，雷達系統需要具備高度的靈活性和智能化水平，以應對各種複雜情況。

最後，實現雷達探測生命特徵的技術涉及多個領域的交叉，包括雷達技術、信號處理、生物醫學工程等。需要綜合運用多種技術手段，如高頻微波技術、數字信號處理、機器學習等，才能實現對生命特徵的有效探測。每個環節都需要精細設計和優化，任何一個環節的失誤都可能導致整個系統的失效。此外，雷達系統的硬件實現也面臨挑戰，如高靈敏度的雷達天線、低噪聲的接收系統、高效的信號處理單元等，都需要精心設計和製造。

這就是爲什麼雷達探測生命特徵一直被認爲是一個世界性難題。

自上世紀九十年代，我國科研團隊便開始探索雷達探測生命特徵。王健琪教授領導的團隊通過多年的努力，成功研製出我國首臺具有自主知識產權的生物雷達。這種雷達能夠穿透障礙物，檢測到生命體的微小運動，實現對被困人員的有效探測。

爲了捕捉微弱的生命信號，團隊構建了全新的零中頻收發系統，通過控制相參信號延時，將系統固有噪聲與體表微動引起的回波區隔開來。此外，通過深入研究生命特徵信號的生理特徵，團隊設計出一種對生命信號高敏感的雷達收發系統，解決了信號濾波與功率放大的匹配問題。

隨着技術的不斷髮展，團隊又實現了從生物雷達到“透視眼鏡”的跨越式發展。研究團隊通過設計和迭代超材料——即一種通過精心設計其內部結構，而不是依賴於其組成材料的化學性質來獲得特定物理特性的人工材料——將其打造成可光學透視的超表面，通常是由具有特殊幾何形狀的微小結構組成的薄層，可以控制光的相位、振幅和偏振等屬性，覆蓋在生物雷達的外表層。當生物雷達發射的電磁波經過超表面時，超表面可以根據眼動信息，靈活調控電磁波的傳播方向和特性，實現對目標的精確探測。做到了“看哪兒探哪兒”，極大地增強了設備的靈活性和智能化水平，爲災害救援提供了更便捷的解決方案。

我國科學家的這些技術突破不僅停留在實驗室階段，還經過了實戰檢驗。在2008年的汶川地震救援中，王健琪教授的團隊攜帶生物雷達設備，成功在廢墟中探測到倖存者的生命信號，爲救援行動提供了寶貴的信息支持。通過實地檢測，生物雷達可以穿透三層樓倒塌後的廢墟，顯示出其強大的探測能力和應用價值。

不過，我們還是要清楚的認識到，雖然我國在雷達探測生命特徵方面的研究已取得顯著成果，但與國際先進技術相比，仍存在一定差距。國際上，如美國和歐洲的研究機構和企業，在雷達探測生命特徵的技術研究上起步較早，擁有豐富的經驗和技術積累。例如，美國麻省理工學院開發的微動雷達系統可以實現高精度的生命體徵監測，歐洲一些企業也推出了商用的生命探測雷達設備。

然而，我國在該領域的研究也在迅速追趕。通過自主創新和技術攻關，我國科研團隊不僅成功研製出高性能的生物雷達設備，還實現了從實驗室到實際應用的快速轉化。例如，在汶川地震後的搜救行動中，我國團隊攜帶的生物雷達設備發揮了重要作用，證明了其在實際救援中的有效性。

未來，雷達探測生命特徵的技術將有着廣闊的應用前景。首先，在災害救援中，該技術可以快速定位被困人員，爲救援爭取寶貴時間。其次，在醫學監測中，非接觸式的雷達生命體徵監測設備可以用於醫院和家庭護理，提高病人的監測精度和舒適度。此外，該技術還可以應用於安防和軍事領域，例如檢測潛在的安全威脅和監測戰場傷員等。

隨着技術的不斷成熟和優化，雷達探測生命特徵的應用將更加廣泛和深入。特別是在人工智能和機器學習技術的加持下，該技術的智能化和自動化水平將進一步提升，帶來更加精準和高效的探測能力。

在雷達探測生命特徵領域，中國與國際同行之間既有合作也有競爭。通過國際合作，我國科學家能夠借鑑和學習國外的先進技術和經驗，加速自身的技術發展。同時，通過技術創新和突破，我國在這一領域逐漸形成了自身的優勢和特色。我國的生物雷達和“透視眼鏡”系統在性能和應用場景上都具有獨特的創新，爲國際雷達探測技術的發展提供了新的思路和方案。在未來的發展中，雷達探測生命特徵技術將繼續發揮其獨特的優勢，爲人類社會的發展和安全做出更大的貢獻。

作者：科普創作者火箭叔

審覈：中國地質大學教授肖龍