用于檢測廢墟下被困者心跳的雷達(dá)設(shè)備

2016年7月一個悶熱的早晨，在原北弗吉尼亞州一所監(jiān)獄的廢墟中，小大衛(wèi)·路易斯（David Lewis Jr.）爬進(jìn)一根混凝土管道中。他一直爬到只能看到他鞋尖兒的位置，然后，在旁觀者的注視下，R4公司新開發(fā)的FINDER設(shè)備（Finding Individuals for Disaster and Emergency Response，災(zāi)難和應(yīng)急響應(yīng)用被困者搜救設(shè)備）開始進(jìn)行實景訓(xùn)練。輕輕一點按鈕，設(shè)備即開始根據(jù)物體和環(huán)境校準(zhǔn)雷達(dá)，之后就進(jìn)入檢測模式。在雷達(dá)啟動后大約3min時，設(shè)備的手持式圖形界面上顯示出搜索結(jié)果；在一張識別出路易斯的有關(guān)混凝土廢墟的高清照片上方顯示：“FINDER檢測到一名被困者”。FINDER還捕捉了被困者身體的熱能特征并生成了一張紅外線成像圖片，其報告了路易斯的呼吸和心率。

這個實驗的參與者路易斯是R4公司的一名項目經(jīng)理。他的同事，負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)開發(fā)的副總裁肖恩·克洛科特（Shawn Crockett）介紹說，路易斯在此次試驗中的心率高于之前在另一試驗中測得的心率。“因為里面有點熱，且沒有風(fēng)”，路易斯解釋道。FINDER的準(zhǔn)確率還有待提高：在第一次測試中，該設(shè)備誤將路易斯識別成了2個人。雖然還需要不斷改進(jìn)，但這種設(shè)備拯救生命的潛力卻是無需置疑的，能夠用于搜救被困于地震廢墟下的被困者就是一大證明。雖然路易斯曾被設(shè)備誤認(rèn)為是2個人，但克洛科特說：“對我們來說，這一誤差并無影響。一旦我們發(fā)現(xiàn)廢墟中有生命跡象，我們就會進(jìn)去救人。”

總部位于馬里蘭州的埃奇伍德公司（Edgewood）正在開發(fā)一系列此類遙感設(shè)備，以幫助災(zāi)害搜索及救援團(tuán)隊。這些設(shè)備基于NASA開發(fā)的先進(jìn)雷達(dá)技術(shù)，并由NASA的噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）作了相應(yīng)技術(shù)改進(jìn)。JPL負(fù)責(zé)FINDER項目的任務(wù)經(jīng)理吉姆·盧克斯（Jim Lux）解釋道，NASA在分析微弱的無線電信號以識別輕微的物理運動方面有著豐富的經(jīng)驗，例如，通過近地軌道觀察地震活動，或者通過行經(jīng)行星的衛(wèi)星路徑的微小變化，并能夠通過這些微小變化了解重力的波動。但是，要提取此類數(shù)據(jù)微弱變化的規(guī)律，設(shè)備必須要消除大量的噪聲才行?！斑@里的核心技術(shù)在于：在存在另一個更強(qiáng)信號干擾的情況下，能夠檢測出有用的微弱信號?！北R克斯說。

21世紀(jì)初期，美國國防部就與JPL開展了合作，研究是否有可能通過使用遙感技術(shù)，來確認(rèn)戰(zhàn)場上是否還有部隊幸存，并遠(yuǎn)程獲取相關(guān)的生物醫(yī)學(xué)數(shù)據(jù)。盧克斯介紹說，當(dāng)時已經(jīng)完成了部分研究，并且還打算進(jìn)行后續(xù)的應(yīng)用研究，例如，用于監(jiān)測國際空間站的宇航員等。但這時，研究資金卻告竭了。然而，這項工作并沒有被遺忘。多年后，國土安全部（DHS）科技局的下屬單位與JPL開展新的合作，發(fā)現(xiàn)JPL的工程師已完成了心跳遠(yuǎn)程檢測技術(shù)的研究。DHS下屬單位聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（FEMA）想用這樣一種設(shè)備來定位被困的幸存者。在DHS的資助下，盧克斯的團(tuán)隊開始著手開發(fā)FINDER原型機(jī)。

作為NASA的工程師，他們精通裝置所需的小型、低能耗且可靠的硬件設(shè)計和封裝技術(shù)。利用反射微波雷達(dá)識別有生命跡象的心臟和肺部相對棘手，但他們之前已具備從大量數(shù)據(jù)流中找出輕微運動的技術(shù)?！斑@項技術(shù)綜合了NASA前期大量的研究成果”，盧克斯說，“其中很多成果早已以其他形式得到了運用?！币坏┕こ處焸兡軌蜃R別心跳，他們就必須進(jìn)一步完善信號處理算法，以區(qū)分出人類的心跳信號。例如，大型犬只的心率都比較快，尤其是呼吸頻率比人類要快，盧克斯解釋說。為了找出多名受害者，設(shè)備必須能夠識別不同心率與呼吸率的節(jié)奏情況。盧克斯說，這是可以實現(xiàn)的，因為心臟跳動隨呼吸而加快或減慢。FINDER在特定區(qū)域內(nèi)最多可檢測5名受害者。

▲NASA在通過消除大量噪聲及分析微弱信號以探測輕微物理運動方面有著豐富的經(jīng)驗。如圖所示，利用來自2個火星軌道探測器的多普勒及距離跟蹤數(shù)據(jù)，NASA探測出反映重力波動的輕微路徑移動，從而使科學(xué)家得以構(gòu)建整個紅色星球的重力圖

幾年前，在JPL開發(fā)出原型機(jī)，并且DHS對其進(jìn)行測試之后，R4公司的創(chuàng)始人，同時也是2名美國陸軍老兵，在網(wǎng)上看到一篇關(guān)于FINDER的文章。文中稱，管理JPL的加州理工學(xué)院（Caltech）正在尋找可將該技術(shù)商業(yè)化的公司。R4公司表明了意愿，于是不久之后，Caltech便向R4公司及SpecOps Group 公司頒發(fā)了FINDER許可證，其中SpecOps Group 公司正在努力將自身利用該技術(shù)開發(fā)的設(shè)備商業(yè)化。在接下來的幾年里，R4公司為此技術(shù)開發(fā)了更為輕巧的外殼，使之更加耐用，同時改進(jìn)了圖形界面?！拔覀冊诟鞣矫婢M(jìn)行了改進(jìn)，使它成為現(xiàn)實救援情況下的首選工具，”路易斯說。

2015年4月下旬，尼泊爾首都加德滿都西北部發(fā)生了7.8級地震，造成超過8500人死亡。于FINDER而言，這是一項重大考驗，但同時，它也取得了巨大的成功。路易斯的父親，R4公司的另一位創(chuàng)始人，在地震發(fā)生4天后，就帶著2臺FINDER原型機(jī)抵達(dá)現(xiàn)場，加入了搜救隊。在受災(zāi)嚴(yán)重的Chautara村，救援人員使用這些設(shè)備，在紡織廠廢墟下發(fā)現(xiàn)了2名男子，在另一建筑物廢墟下又找到了另外2名男子。最終，這4名被埋在廢墟中深達(dá)10英尺的人都獲得救援，并且全部活了下來。

地震是最致命的自然災(zāi)害，可能導(dǎo)致數(shù)以萬計的人被埋于坍塌的建筑物下。在地震中不可避免的是，許多困在廢墟下的人雖然活著，但卻很難被找到。NASA噴氣推進(jìn)實驗室（JPL）的工程師利用其分析微弱信號的經(jīng)驗開發(fā)出了一種技術(shù)，可通過雷達(dá)探測出被困者的呼吸和心跳，從而尋找到這些“看不見”的人。一家名為R4 的公司獲得了該技術(shù)的授權(quán)，并對這種技術(shù)進(jìn)行了開發(fā)，目前其研發(fā)的產(chǎn)品正向美國及國外的政府機(jī)構(gòu)推廣。

這里的核心技術(shù)在于：在存在另一個更強(qiáng)信號干擾的情況下，能夠檢測出其中有用的微弱信號。

——噴氣推進(jìn)實驗室，吉姆·盧克斯

盡管FINDER原型機(jī)在此次救援中取得了成功，但此次經(jīng)歷也暴露了公司需要繼續(xù)解決的技術(shù)短板問題。JPL原型機(jī)的傳感器面向4個方向，難以估測受害者的位置，因此新機(jī)型改為一次只搜尋一個方向。公司還認(rèn)為，校準(zhǔn)與檢測所需的5min滯后時間太長，決定設(shè)法將這一時間縮短一半。同時，尼泊爾的救援人員發(fā)現(xiàn)，在一些破壞嚴(yán)重的區(qū)域，設(shè)備導(dǎo)航存在很大困難。從那以后，R4公司開始將搜索裝置安裝在無人機(jī)及車輛上。實際運用情況證明，F(xiàn)INDER能夠檢測100英尺范圍內(nèi)、30英尺深的廢墟中的被困者，且準(zhǔn)確率達(dá)80%；而JPL原型機(jī)的準(zhǔn)確率為65%，相比而言，這個準(zhǔn)確度已有所提高。

克洛科特說，在最新一次技術(shù)迭代中，設(shè)備最有用的功能是：無論是有人目擊還是搜救犬發(fā)現(xiàn)了被困者的蛛絲馬跡，只要懷疑某一特定區(qū)域還有活著的被困者，都可以用搜救設(shè)備來進(jìn)行確認(rèn)。但他表示，公司正在研究他稱之為“持續(xù)探測”的功能，即FINDER可在行進(jìn)過程中連續(xù)掃描并檢測周圍環(huán)境，從而在途經(jīng)廢墟的過程中尋找到幸存者。

2015年10月，聯(lián)邦緊急事務(wù)管理局（FEMA）正式宣布將向美國市政機(jī)構(gòu)提供資金，以滿足其購買R4公司FINDER設(shè)備的請求。FINDER設(shè)備目前已被列入FEMA的《授權(quán)設(shè)備清單》，其類別為“用于定位其他手段難以檢測的受困及被埋人員的地震、聲學(xué)和雷達(dá)設(shè)備及配件”?！斑@一決定使緊急救援機(jī)構(gòu)得以利用這些資金獲取新的技術(shù)裝備”，路易斯說。他指出，洛杉磯、圣地亞哥及舊金山的應(yīng)急小組及弗吉尼亞1號特遣部隊和一些非營利組織都對此表示了興趣。同時，F(xiàn)INDER已經(jīng)有了首批官方客戶，包括美國陸軍情報及信息戰(zhàn)局，以及厄瓜多爾基多消防局?？寺蹇铺卣f，隨著R4公司這一技術(shù)在美國乃至全世界的展示，也引起了中國臺灣、日本、韓國、阿聯(lián)酋、危地馬拉、哥倫比亞及阿根廷的關(guān)注。

由于這些國家和地區(qū)大多位于地震多發(fā)區(qū)，R4公司目前正在阿聯(lián)酋首都阿布扎比開展安全試點計劃。鑒于當(dāng)?shù)氐母邷丨h(huán)境，駕駛員可以在所有車窗上貼覆深色膜，因此邊防警察正在嘗試使用FINDER來確認(rèn)車中乘客的數(shù)量是否與所提供護(hù)照的數(shù)量相符。通過繪制心率及呼吸率圖，這些設(shè)備還能夠檢測到被檢人員是否存在恐慌情緒。“關(guān)于如何使用我們的技術(shù)，人們提出了各種各樣的想法”，克洛科特說。

▲盡管JPL工程師還在繼續(xù)與R4公司合作，但R4公司必須自己完成很多開發(fā)工作才能使FINDER的功能更強(qiáng)大。FINDER目前已在市場上出售，公司團(tuán)隊仍在不斷進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)

▲R4公司正在開發(fā)一種可安裝在八旋翼無人機(jī)上的FINDER機(jī)型，它可以在飛越廢墟時連續(xù)掃描尋找受困人員。此外，R4公司還有可安裝在卡車或摩托車上的其他FINDER機(jī)型產(chǎn)品

R4公司還設(shè)計了可安裝在遙控八旋翼直升機(jī)、皮卡車及摩托車上的FINDER機(jī)型，以便用其在正常情況難以到達(dá)的區(qū)域展開搜索。R4公司目前的研究方向還將GPS和激光雷達(dá)結(jié)合起來，使FINDER可以在無人機(jī)上進(jìn)行準(zhǔn)確、連續(xù)的導(dǎo)航。另一個方向是將來自懸停無人機(jī)裝置的讀數(shù)與來自地面上另一FINDER的讀數(shù)相結(jié)合，從而更精確地對被困者的位置進(jìn)行三角測量?？寺蹇铺卣f，現(xiàn)階段的FINDER已展現(xiàn)出了前所未有的能力，其所到之處均受到救援部隊的高度歡迎?！斑@是一種真正能挽救生命的獨特技術(shù)?！?/p>

R4公司還在不斷改進(jìn)FINDER，以提高其在各種情況下的工作效率?？寺蹇铺卣f：“改進(jìn)的秘訣主要在于算法及我們所使用的各種專用傳感器?！睋Q句話說，改進(jìn)的秘訣就是基于JPL技術(shù)的硬件和軟件。克洛科特表示，JPL將繼續(xù)作為戰(zhàn)略合作伙伴與R4公司等機(jī)構(gòu)合作，嘗試實現(xiàn)遠(yuǎn)距離讀數(shù)，并幫助公司完成FINDER的測試和演示?！八麄?nèi)栽谥С諪INDER，他們是我們強(qiáng)大的支撐?！甭芬姿拐f。