“顺风耳”真的存在！生命探测雷达如何“听”到厚厚废墟下的微弱心跳？

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说到雷达，很多人会让人想到军事，因为最早的雷达应用就是军事目的的。但有一种雷达，它的使命是救命，这就是专门用来探测特殊物体的生命探测雷达。它的目标不是飞机、导弹和卫星，而是被掩埋在厚厚废墟下的人。

用雷达探测生命特征，特别是在人类救援和医学监测中，有着巨大的应用潜力。然而，这一技术的实现却面临多重挑战。为了帮助大家更容易去理解我下面将要讲到的技术挑战，咱们有必要先来看看雷达一般是怎么工作的。一个典型的雷达系统主要包括发射机、接收机、天线、信号处理单元和显示单元等部分。发射机产生高频电磁波，并通过天线向目标方向发射。这些电磁波在遇到目标时会产生反射或散射。接收机通过天线接收来自目标的反射信号，并进行初步的信号放大和滤波处理。天线负责电磁波的发射和接收，其性能直接影响雷达系统的探测能力。高灵敏度和高指向性的天线能够有效提高系统的探测范围和精度。信号处理单元对接收的反射信号进行处理，包括滤波、放大、频谱分析、特征提取等步骤，以提取有用的目标信息。显示单元将处理后的信号转换为可视化信息，如图像、波形或数据，供用户观察和分析。

有了这个基础之后，接着咱们就来看看生命探测雷达需要面对的挑战。大概有以下4点：检测信号微弱度、环境干扰和噪声、目标识别的复杂性，以及实现技术交叉的难度。

先看微弱信号的检测。生命特征如心跳和呼吸会引起人体表面微小的运动，这些运动的频率仅为零点几赫兹，幅度仅为毫米级。这种微动频率极低，导致其回波信号极易被雷达系统固有的噪声淹没。正如空军军医大学的王健琪教授所比喻的，“要想感知它，犹如将缝衣针落地的声音，从集市嘈杂环境中分离出来，并放大到能听见的响度”。微动信号的检测需要极高的信噪比和精确的信号处理技术，这是雷达探测生命特征面临的首要难题。

接着，雷达信号在传播过程中会受到多种因素的干扰，如墙壁、金属物体、甚至天气等。这些干扰会导致信号反射和散射，使得从雷达回波中提取有用的生命特征信号变得异常困难。例如，在地震后的救援现场，建筑废墟中存在大量的反射和散射源，极大地增加了信号处理的难度。

此外，雷达系统自身的噪声和环境噪声也是需要克服的重要障碍。而在实际应用中，如何准确识别目标并判断其生命状况是另一个重大挑战。例如，如何区分人和动物的微动信号，如何通过信号判断被困人员的生命状态等，这些都需要复杂的信号处理和分析技术。生命特征信号的复杂性和多样性使得目标识别变得非常困难。针对不同场景和应用需求，雷达系统需要具备高度的灵活性和智能化水平，以应对各种复杂情况。

最后，实现雷达探测生命特征的技术涉及多个领域的交叉，包括雷达技术、信号处理、生物医学工程等。需要综合运用多种技术手段，如高频微波技术、数字信号处理、机器学习等，才能实现对生命特征的有效探测。每个环节都需要精细设计和优化，任何一个环节的失误都可能导致整个系统的失效。此外，雷达系统的硬件实现也面临挑战，如高灵敏度的雷达天线、低噪声的接收系统、高效的信号处理单元等，都需要精心设计和制造。

这就是为什么雷达探测生命特征一直被认为是一个世界性难题。

自上世纪九十年代，中国科研团队便开始探索雷达探测生命特征。王健琪教授领导的团队通过多年的努力，成功研制出我国首台具有自主知识产权的生物雷达。这种雷达能够穿透障碍物，检测到生命体的微小运动，实现对被困人员的有效探测。

为了捕捉微弱的生命信号，团队构建了全新的零中频收发系统，通过控制相参信号延时，将系统固有噪声与体表微动引起的回波区隔开来。此外，通过深入研究生命特征信号的生理特征，团队设计出一种对生命信号高敏感的雷达收发系统，解决了信号滤波与功率放大的匹配问题。

随着技术的不断发展，团队又实现了从生物雷达到“透视眼镜”的跨越式发展。研究团队通过设计和迭代超材料——即一种通过精心设计其内部结构，而不是依赖于其组成材料的化学性质来获得特定物理特性的人工材料——将其打造成可光学透视的超表面，通常是由具有特殊几何形状的微小结构组成的薄层，可以控制光的相位、振幅和偏振等属性，覆盖在生物雷达的外表层。当生物雷达发射的电磁波经过超表面时，超表面可以根据眼动信息，灵活调控电磁波的传播方向和特性，实现对目标的精确探测。做到了 “看哪儿探哪儿”，极大地增强了设备的灵活性和智能化水平，为灾害救援提供了更便捷的解决方案。

中国科学家的这些技术突破不仅停留在实验室阶段，还经过了实战检验。在2008年的汶川地震救援中，王健琪教授的团队携带生物雷达设备，成功在废墟中探测到幸存者的生命信号，为救援行动提供了宝贵的信息支持。通过实地检测，生物雷达可以穿透三层楼倒塌后的废墟，显示出其强大的探测能力和应用价值。

不过，我们还是要清楚的认识到，虽然中国在雷达探测生命特征方面的研究已取得显著成果，但与国际先进技术相比，仍存在一定差距。国际上，如美国和欧洲的研究机构和企业，在雷达探测生命特征的技术研究上起步较早，拥有丰富的经验和技术积累。例如，美国麻省理工学院开发的微动雷达系统可以实现高精度的生命体征监测，欧洲一些企业也推出了商用的生命探测雷达设备。

然而，中国在该领域的研究也在迅速追赶。通过自主创新和技术攻关，中国科研团队不仅成功研制出高性能的生物雷达设备，还实现了从实验室到实际应用的快速转化。例如，在汶川地震后的搜救行动中，中国团队携带的生物雷达设备发挥了重要作用，证明了其在实际救援中的有效性。未来，雷达探测生命特征的技术将有着广阔的应用前景。首先，在灾害救援中，该技术可以快速定位被困人员，为救援争取宝贵时间。其次，在医学监测中，非接触式的雷达生命体征监测设备可以用于医院和家庭护理，提高病人的监测精度和舒适度。此外，该技术还可以应用于安防和军事领域，例如检测潜在的安全威胁和监测战场伤员等。随着技术的不断成熟和优化，雷达探测生命特征的应用将更加广泛和深入。特别是在人工智能和机器学习技术的加持下，该技术的智能化和自动化水平将进一步提升，带来更加精准和高效的探测能力。

在雷达探测生命特征领域，中国与国际同行之间既有合作也有竞争。通过国际合作，中国科学家能够借鉴和学习国外的先进技术和经验，加速自身的技术发展。同时，通过技术创新和突破，中国在这一领域逐渐形成了自身的优势和特色。中国的生物雷达和“透视眼镜”系统在性能和应用场景上都具有独特的创新，为国际雷达探测技术的发展提供了新的思路和方案。在未来的发展中，雷达探测生命特征技术将继续发挥其独特的优势，为人类社会的发展和安全做出更大的贡献。

本文为科普中国·创作培育计划扶持作品
作者：火箭叔 科普创作者

审核：肖龙 中国地质大学 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司