為了第一時間搜救生命——我國首個超表面生物雷達“透視眼鏡”系統(tǒng)研發(fā)紀(jì)實

科技日報記者?張強?通訊員?張靜?張語桐

戴上眼鏡，即便隔著水泥墻，你也能感知墻背后的人體呼吸和心跳……

這不是科幻，而是我國雷達探測生命技術(shù)的最新應(yīng)用場景。

7月23日，在接受科技日報記者采訪時，空軍軍醫(yī)大學(xué)軍事生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)系教授王健琪介紹：“我們設(shè)計的這款‘透視眼鏡’系統(tǒng)，能讓用戶透過障礙物確定人體目標(biāo)的位置與動作。”

為了提高地震、塌方等地質(zhì)災(zāi)害中傷員的救治率，王健琪帶領(lǐng)研發(fā)團隊矢志攻關(guān)，先后闖過信號捕捉、目標(biāo)識別、視覺感知等技術(shù)關(guān)口，破解了“用雷達探測生命特征”這一世界性難題。

“讓信號‘跳出來’”

上世紀(jì)九十年代，用雷達探測生命不啻為天方夜譚。“如能實現(xiàn)，可迅速確定傷員位置，實施救援。”回憶科研初心，王健琪說，“為了第一時間搜救生命，我們大膽設(shè)想，不懈求證。”

“首先要解決原理問題，大家考慮從人的主要生命特征——呼吸、心跳等著手研究。”研發(fā)團隊成員、高級實驗師荊西京介紹，“因為這些活動會引起人體胸壁表面微動，有可能被雷達掃描到。”

但是，這種微動頻率只有零點幾赫茲，幅度僅為毫米級，其回波信號極易淹沒在雷達系統(tǒng)固有噪聲中。

“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，并放大到能聽見的響度。”王健琪比喻道。

團隊反復(fù)研究，構(gòu)建了全新的零中頻收發(fā)系統(tǒng)，通過控制相參信號延時，將系統(tǒng)固有噪聲與體表微動引起的回波區(qū)隔開來。很快，雷達式生命探測儀（以下簡稱“生物雷達”）的第一臺樣機出爐。

原以為能一炮打響，沒想到卻是“啞炮”。“無論用什么招數(shù)，樣機都如聾子一般，聽不到一點聲音。”荊西京回憶說。

當(dāng)時正值盛夏，實驗室處于半地下，活脫脫一個“悶罐”。王健琪頂著巨大的壓力，一邊忍受蚊蟲叮咬，一邊帶著大家再三檢查系統(tǒng)。

“讓信號‘跳出來’就是勝利。”王健琪給大家打氣。

問題的癥結(jié)最終被鎖定在信號濾波與功率放大的算法匹配上。二者之間就像一根平衡木，必須找到合適的平衡點。團隊先后嘗試了上百種方案，都不太理想。

“能不能動態(tài)匹配，讓濾波器和放大器根據(jù)環(huán)境變化自動調(diào)整參數(shù)？”王健琪想到了自適應(yīng)技術(shù)。

基于這一思路，大家再次改進樣機。當(dāng)監(jiān)測屏幕上有節(jié)奏地跳出“傷員”生命信號時，實驗室內(nèi)一片歡騰——濾波與放大“和諧共舞”的難關(guān)終于攻克了。

“必須準(zhǔn)確識別目標(biāo)”

信號有了，如何辨別被掩埋的是人還是動物？廢墟下傷員生命狀況怎樣？探測深度能達到多少？問題接踵而來。

“必須準(zhǔn)確識別目標(biāo)，才能及時營救傷員。”王健琪說。但在實驗中，無論大家怎么調(diào)整頻率、功率等，樣機要么無法穿透障礙物，要么捕捉不到生命信號。研究又一次陷入僵局。

一次偶然機會，在探望病人時，床邊的監(jiān)護儀激發(fā)了王健琪的靈感。“生命信號不同于雷達信號，從生物醫(yī)學(xué)角度處理好信號才是關(guān)鍵。”他馬上跑回實驗室，召集團隊重新設(shè)計生命信號的處理結(jié)構(gòu)和算法。

大家深入研究呼吸、心跳等活動的生理特征，及其由強到弱導(dǎo)致的電磁波反射變化。經(jīng)過多次生物醫(yī)學(xué)模擬，團隊確定了捕捉生命信號的最佳參數(shù)設(shè)置，據(jù)此設(shè)計出一種對生命信號高敏感的雷達收發(fā)系統(tǒng)。

緊接著，大家又馬不停蹄地對人與動物的生命特征進行數(shù)據(jù)分析，在國內(nèi)首次提出雷達探測識別人與動物的算法。

實戰(zhàn)演練再度上演。這一次，設(shè)備穿透了2米厚的磚墻，信號穩(wěn)定而清晰——我國首臺具有自主知識產(chǎn)權(quán)的生物雷達研制成功了！

2008年，汶川地震發(fā)生后，荊西京與團隊成員呂昊奉命攜帶設(shè)備立即趕往災(zāi)區(qū)搜救。

震后的北川遍地廢墟，隨著時間推移，生命的跡象越來越微弱。“盡一切可能搜尋生命信息！”帶著這一使命，荊西京和呂昊搜尋探測了20多處倒塌的大型建筑，發(fā)現(xiàn)多個區(qū)域有生命跡象，為搶救生命贏得了寶貴時間。

經(jīng)實地檢測驗證，生物雷達可穿透三層樓倒塌后的廢墟。首戰(zhàn)告捷！

隨后幾年，王健琪帶領(lǐng)團隊繼續(xù)攻關(guān)，研發(fā)出“雷達式生命探測技術(shù)與系列裝備”。2015年1月，該成果獲得國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。

“看哪兒探哪兒”

面對災(zāi)后復(fù)雜的地形地貌，設(shè)備的輕量化、智能化成為團隊新的研究方向。電影《鋼鐵俠》中，主角佩戴的神奇眼鏡引起了大家的興趣。

“戴上它，對手的信息一覽無遺。”王健琪說，“增強人的視覺感知能力，成為大家重點思考的問題。”

那就打造一款“透視眼鏡”！團隊大膽設(shè)想。

“我們的方案是通過眼動信息來控制雷達波束，眼睛看到哪，生物雷達發(fā)射的電磁波就指向哪，從而實現(xiàn)‘看哪兒探哪兒’。”團隊成員安強介紹，“之后，再將探測信息顯示在人的眼前。”

眼動信息的追蹤此前已有成熟方案，靈活調(diào)控和定向發(fā)射電磁波成為系統(tǒng)實現(xiàn)的關(guān)鍵。安強說：“大家想到了超材料，它能實現(xiàn)對電磁波偏振、相位、傳播模式等特性的調(diào)控。”

“我們反復(fù)設(shè)計迭代超材料，并將其打造成可光學(xué)透視的超表面，覆蓋在生物雷達外表層。”團隊成員邱天碩解釋，“當(dāng)生物雷達發(fā)射電磁波經(jīng)過超表面時，超表面可根據(jù)眼動信息，靈活調(diào)控電磁波的指向。”

在此基礎(chǔ)上，團隊又先后破解了生理微動、運動速度等感知難題，開發(fā)出信號增強、特征提取的機器學(xué)習(xí)模型……經(jīng)過6年的接續(xù)努力，我國首個超表面生物雷達“透視眼鏡”系統(tǒng)誕生。

近日，團隊研究成果獲《自然·通訊》雜志刊發(fā)。“目前，我們正在努力降低整體裝備的重量。”邱天碩說，“未來，救援人員戴上‘透視眼鏡’，轉(zhuǎn)動眼球就能‘看到’廢墟下的幸存者。”

“在不久前召開的全國科技大會、國家科學(xué)技術(shù)獎勵大會、兩院院士大會上，習(xí)近平總書記強調(diào)，‘促進自主攻關(guān)產(chǎn)品推廣應(yīng)用和迭代升級’‘讓科技更好造福人類’。這讓我們備受鼓舞。”王健琪向記者表示，“未來，團隊將繼續(xù)加大人機交互、智能裝備等領(lǐng)域技術(shù)的研發(fā)力度，讓生物雷達在平時災(zāi)害救援、戰(zhàn)時傷員搜尋中發(fā)揮更大作用！”