Wellen schauen durch Wände

Mittels eines speziell abgestimmten Radarsystems ist es MIT-Wissenschaftlern gelungen, hinter 20 Zentimeter starke Betonteile zu blicken.

Forscher am Lincoln Laboratory des Massachusetts Institute of Technology haben ein neuartiges Radarsystem entworfen, das durch Wände blicken kann und das Ergebnis dann per Echtzeitvideo darstellt. Das Verfahren soll auch durch massive Betonwände mit einer Dicke von bis zu 20 Zentimetern funktionieren.

Die Technik könnte unter anderem von Militär- und Polizeikräften verwendet werden, um bei Einsätzen besser vorbereitet zu sein. "Wir denken an Kampfeinsätze in urbanen Umgebungen, aber auch an die Nutzung durch Rettungskräfte", erläutert Projektleiter Gregory Charvat, der sich am MIT auf Radartechnik spezialisiert hat. In solch stressigen Situationen sei es von großem Vorteil, wenn Einsatzkräfte wüssten, wer oder was sich hinter einer Mauer befinde.

Sichtbares Licht dringt bekanntlich nicht durch Betonwände, deshalb nutzen die Forscher Mikrowellen mit einer Wellenlänge von rund 10 Zentimetern. Das vergleichsweise schwache Signal wird von einer Phased-Array-Radarantenne im Multiple-Input-Multiple-Output-Verfahren (MIMO) losgeschickt, die aus insgesamt 13 Sendeelementen besteht. Dabei werden Ultrawideband-Frequenzen zwischen 2 und 4 GHz eingesetzt, die eine Bildwiederholfrequenz von mehr als 10 Hz erlauben.

Von der Strahlung dringen nur 0,6 Prozent tatsächlich durch die Wand und erfassen das, was sich dahinter befindet – in diesem Fall Lebewesen. Die verbliebene Energie wird anschließend wieder zurück durch die Wand reflektiert, um von den acht Empfangselementen, die oberhalb der Sendeelemente montiert sind, detektiert zu werden. Das System kann dann nur noch ein verbliebenes Signal mit einer Stärke von 0,0025 Prozent empfangen.

Damit sich daraus ein Echtzeitvideo ergibt, werden 44 verschiedene Radarstrahlen-Kombinationen ausgesendet und empfangen. Die Forscher entwickelten dazu eine eigene Antennenkonfiguration samt Steuerelektronik. Derzeit kann das System Menschen hinter Wänden aus einem Abstand von 6 Metern erfassen, mit etwas Optimierung wären aber sogar 18 Meter möglich.

Das Video hat dabei eine Bildwechselfrequenz von 10,8 Einzelbildern pro Sekunde, die Auflösung ist noch gering. "Das Radarsystem sieht Menschen nicht wie wir. Personen werden derzeit als rote Kleckse dargestellt", erläutert Forscher Gregory Charvat. "Sind zwei Menschen hinter der Wand, sieht man zwei rote Kleckse, die sich bewegen."

Momentan arbeitet der Bilddarstellungsalgorithmus mittels Subtraktion. Dabei wird jedes neue Bild mit dem zuvor erstellten verglichen. Das bedeutet auch, dass nur bewegliche Objekte erkannt werden können. Das mache in der Praxis aber nichts, sagt Charyat, denn Menschen bewegten sich auch dann immer leicht, wenn sie sitzen oder stehen.

Noch ist das System recht klobig: Es ist zwar fahrbar auf einem von einer Einzelperson bewegbaren Wagen installiert, nimmt aber den Platz von mehreren Kühlschränken ein. Bevor an einen realen Einsatz zu denken ist, müsste zunächst eine Miniaturisierung her. Alternativ könnte das Gerät in ein Fahrzeug montiert werden, dies habe man bereits im Blick, so der Forscher.

"Wir arbeiten außerdem an einem verbesserten Bildalgorithmus, der die Radardaten nimmt und sie aufbereitet", sagt Charvat. "Dann würden Personen als kleine Kreuze oder Quadrate dargestellt." Dies würde sich dann auch auf Gebäudepläne projizieren lassen, um die genaue Position im Raum darzustellen, was derzeit noch nicht möglich ist. "Um das, was man jetzt sieht, genau zu verstehen, müssten die Einsatzkräfte zunächst trainiert werden." Die momentan dargestellte Perspektive ist eine Draufsicht aus der Vogelperspektive.

Robert Burkholder, der an der Ohio State University an Bildverarbeitungssystemen forscht, lobt vor allem die Echtzeitausgabe des Verfahrens der Lincoln-Lab-Wissenschaftler. Die Auflösung sei angesichts der geringen Signalausbeute hervorragend. (bsc)