לראות דרך קירות

מאת: אמילי פין, MIT

חוקרים במעבדת לינקולן ב-MIT פיתחו טכנולוגיית מכ”ם חדשה שמספקת וידיאו בזמן אמת של מה שקורה מאחורי קירות מוצקים.
היכולת לראות דרך קירות היא כבר לא בגדר מדע בדיוני, הודות לטכנולוגיית מכ”ם חדשה שפותחה במעבדת לינקולן ב-MIT.
בני אדם ובעלי חיים אחרים רואים באמצעות גלים של אור נראה שמוחזר מעצמים ולאחר מכן פוגע ברשתיות שבעיניים שלנו, ובאופן דומה מאוד מכ”ם “רואה” באמצעות שליחת גלי רדיו שמוחזרים ממטרות וחוזרים למקלטים של המכ”ם. אבל בדיוק כפי שאור לא יכול לעבור דרך עצמים מוצקים בכמויות גדולות מספיק כדי שהעין תבחין בו, קשה לבנות מכ”ם שיכול לחדור קירות מספיק טוב כדי להראות מה קורה מאחוריהם. עכשיו חוקרים ממעבדת לינקולן בנו מערכת שיכולה לראות דרך קירות ממרחק מסוים, ולספק תמונה מיידית של הפעילות בצד האחר.
המכשיר של החוקרים הוא מערך לא מתבלט של אנטנות המסודרות בשתי שורות – שמונה רכיבי קליטה למעלה, 13 רכיבי שידור למטה – וציוד מחשוב, והכל מורכב על קרון נייד. אבל יש לו השלכות רבות עוצמה על פעילות צבאית, במיוחד “במצבים של לחימה עירונית”, אומר גרגורי צ’ארבאט, חוקר במעבדת לינקולן וראש הפרויקט.
גלים דרך קירות
קירות, בהגדרה, הם מוצקים, וזה בוודאי נכון לגבי קירות הבטון בעובי עשרה ועשרים ס”מ שעליהם החוקרים ניסו את המערכת שלהם.
בהתחלה המכ”ם שלהם פועל כמו כל מכ”ם אחר: משדרים פולטים גלים בתדר מסוים בכיוון המטרה. אבל במקרה הזה, בכל פעם שהגלים פוגעים בקיר, הבטון מונע מיותר מ-99% מהם לעבור. וזה רק חצי מהקרב: אחרי שהגלים מוחזרים מהמטרה, הם חייבים לעבור בחזרה דרך הקיר כדי להגיע למקלטים של המכ”ם – ושוב 99% לא מצליחים. עד שהוא פוגע במקלטים, האות כבר הופחת לבערך 0.0025 אחוז מהחוזק המקורי שלו.
אבל לדברי צ’ארבאט, הפסד האות בגלל הקיר הוא אפילו לא האתגר העיקרי. “מגברים [של אותות] הם זולים”, הוא אומר. מה שהיה קשה להשיג במערכות מכ”ם דרך הקיר הם המהירות, כושר ההפרדה והטווח הנחוצים כדי שיהיו שימושיות בזמן אמת. “אם אתה נמצא במצב של לחימה בסיכון גבוה, אתה לא רוצה תמונה אחת כל 20 דקות, ואתה לא רוצה לעמוד ליד בניין שאולי מסוכן”, אומר צ’ארבאט.
אפשר להשתמש במערכת של הצוות ממעבדת לינקולן בטווח של עד כ-18 מטר מהקיר. (הדגמות בוצעו במרחק של 6 מטר, שלדברי צ’ארבאט זה ריאלי במצבים של לחימה עירונית). והמערכת נותנת תמונה בזמן אמת של תנועה מאחורי הקיר בצורת וידיאו בקצב של 10.8 מסגרות בשנייה.

סינון תדרים
אחד הדברים שצריך לשקול במכ”ם דרך הקיר, אומר צ’ארבאט, הוא באיזה אורך גל להשתמש. אורכי גל ארוכים יותר יכולים לעבור טוב יותר דרך הקיר ובחזרה, ואז האות חזק יותר, אולם, הם מחייבים בהתאם ציוד מכ”ם גדול יותר כדי להפריד בין המטרות האנושיות הפרטניות. החוקרים התפשרו על גלים בתחום S, שאורך הגל שלהם דומה לאינטרנט אלחוטי – כלומר, קצר למדי. זה אומר יותר הפסד אות – לכן הצורך במגברים – אבל מאפשר לצמצם את האורך של מכשיר המכ”ם עצמו לכשניים וחצי מטר. “זה, לדעתנו, מצב אופטימלי כי אנחנו חושבים שמכ”ם יורכב על רכב מסוג כלשהו”, אומר צ’ארבאט.
גם כאשר פותרים את בעיית חוזק האות באמצעות מגברים, הקיר – בין אם הוא מבטון, לבנים או חומר מוצק אחר – יופיע תמיד כנקודה מאוד בהירה, הכי בהירה. כדי להתגבר על הבעיה הזאת, החוקרים משתמשים במסנן גבישי אנלוגי, שמנצל הפרשי תדר בין הגלים המאופננים שמוחזרים מהקיר והגלים שמגיעים מהמטרה. “כך שאם הקיר במרחק של, נאמר, 6 מטר, הוא מופיע כגל סינוס בתדר 20 קה”צ. אם אתה, מאחורי הקיר, נמצא במרחק של 9 מטר, תופיע כגל סינוס בתדר 30 קה”צ”, אומר צ’ארבאט. אפשר להגדיר את המסנן כך שיאפשר רק לגלים בתחום של 30 קה”צ לעבור אל המקלטים, ולמעשה למחוק את הקיר מהתמונה כך שהוא לא משתלט על המקלט.
“זאת מערכת בעלת יכולת רבה בעיקר בגלל יכולת הדימות בזמן אמת שלה”, אומר רוברט ברקהולדר, פרופסור מחקר במחלקה להנדסת חשמל ומחשבים באוניברסיטת המדינה של אוהיו, שלא היה מעורב בעבודה הזאת. “יש לה גם כושר הפרדה טוב מאוד, הודות לעיבוד דיגיטלי ואלגוריתמים מתקדמים לעיבוד תמונה. היא קצת גדולה מכדי שאדם יוכל לקחת אותה בשטח”, הוא אומר, אבל מסכים שיהיה מתאים ושימושי להרכיב אותה על משאית.

ניטור תנועה
בהדגמה שנערכה לאחרונה, צ’ארבאט ועמיתיו, עוזר המחקר במעבדת לינקולן ג’ון פיבודי והחוקר לשעבר במעבדת לינקולן טיילר רלסון, הראו איך המכ”ם הצליח לדמות שני אנשים נעים מאחורי קירות בטון ובלוקים, וגם אדם המסובב מוט מתכת במרחב חופשי. הפרויקט זכה בתואר המאמר הטוב ביותר בכנס שנערך לאחרונה, סימפוזיון המכ”ם 2010 של שלוש זרועות הצבא.
משום שהתהליך משתמש בשיטה של הפחתה – משווים כל תמונה חדשה עם הקודמת ורואים מה השתנה – המכ”ם יכול לגלות רק מטרות נעות, לא עצמים דוממים כמו ריהוט. למרות זאת, אפילו אדם המנסה לעמוד בשקט זז קצת, והמערכת יכולה לזהות את התנועות הקטנות האלה כדי להציג את המיקום שלו.
המערכת ממירה את האותות שהיא מקבלת לווידיאו דיגיטלי. כעת בני אדם נראים בתור “כתמים” שנעים על המסך כשנקודת המבט היא מלמעלה, כאילו הצופה עומד על הקיר ומסתכל למטה על הזירה מאחור. החוקרים עובדים עכשיו על אלגוריתמים שיהפכו אוטומטית כתם לסמל נקי כדי להפוך את המערכת ליותר ידידותית למשתמש הקצה. “כדי להבין את הכתמים צריך הרבה הכשרה נוספת”, אומר צ’ארבאט.
אחרי שכלול נוסף, יוכלו להשתמש במכ”ם בתוך ארה”ב צוותי היענות חירום ואחרים, אבל החוקרים אומרים שהם פיתחו את הטכנולוגיה בעיקר מתוך מחשבה על יישומים צבאיים. אומר צ’ארבאט: “זה נועד ללוחם בלחימה עירונית… אותם המצבים שמאוד לחוצים ויהיה נהדר לדעת מה מאחורי הקיר הזה”.
מקור: המכון הטכנולוגי של מסצ’וסטס (MIT).
נלקח מאתר
http://www.rfglobalnet.com