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Akustisches „Radar“ erkennt blinde Passagiere in Metallfrachtcontainern
Die Erkennung blinder Passagiere in Lastwagen, Schiffscontainern und Eisenbahnwaggons wird immer wichtiger, da Länder auf der ganzen Welt versuchen, gegen den illegalen grenzüberschreitenden Personenverkehr vorzugehen. Verschiedene Technologien wurden entwickelt, um zu helfen, aber alle haben erhebliche Einschränkungen.
Passive Millimeterwellensensoren können durch Wände sehen, benötigen jedoch eine Beleuchtungsquelle wie den Himmel. Das schließt die Detektion von blinden Passagieren, die sich dem Sonnenlicht entziehen, in der Regel aus.
Mikrowellenradarsysteme bieten ihre eigene Beleuchtungsquelle, haben aber im Allgemeinen Schwierigkeiten, bewegungslose Personen zu erkennen. In jedem Fall gehen diese Signale nicht durch Metallwände hindurch und sind daher für Frachtcontainer und dergleichen ungeeignet.
Dann gibt es Systeme, die auf der Erkennung von Gammastrahlen basieren. Diese gehen leicht durch Metallwände und sind in erster Linie für die Detektion von nuklearem Material ausgelegt. Sie stellen jedoch ein erhebliches Gesundheitsrisiko für den Menschen dar und eignen sich daher nicht zum Aufspüren blinder Passagiere.
Schließlich gibt es akustische Sensoren, die zwar Signale durch Metallwände senden können, aber nie stark oder empfindlich genug waren, um Menschen auf der anderen Seite genau zu erkennen.
Bis jetzt. Heute ändert sich all das dank der Arbeit von Franklin Felber von Starmark, einem wissenschaftlichen Beratungsunternehmen mit Sitz in San Diego, der einen akustischen Sensor gebaut und getestet hat, der sowohl leistungsstark als auch empfindlich genug ist, um die Atembewegung eines ansonsten stationären Menschen zu erkennen die andere Seite einer Frachtcontainerwand.
Das Problem herkömmlicher akustischer Sender ist, dass sie nicht die Art von Signal erzeugen, mit der Menschen erkannt werden können. Dieser muss eine bestimmte, schmale Frequenz haben, die es einem Sensor ermöglicht, die Änderung der Reflexionen eines sich nur wenige Millimeter bewegenden Objekts, wie beispielsweise einer atmenden Brust, zu erfassen. Ein Breitbandsignal, das einen Bereich von Frequenzen abdeckt, verwischt diese Reflexionen einfach.
Es muss auch stark genug sein, um durch eine Metallwand in die Luft auf der anderen Seite zu gelangen, dann von Objekten reflektiert und durch die Metallwand zu einem Empfänger zurückgeleitet zu werden.
Felber begann seine Arbeit mit Experimenten mit handelsüblichen piezoelektrischen Wandlern. Diese verändern ihre Form, wenn sie einer starken Spannung ausgesetzt werden. Diese Änderung erzeugt ein akustisches Signal.
Aber Felber entdeckte, dass sie erhebliche Mängel hatten. Am schwerwiegendsten war, dass sie nahe ihrer Schadensschwelle operieren mussten, um ein ausreichend starkes Signal zu erzeugen. Darüber hinaus verwenden sie enorme Spannungen – im Bereich von 3.000 Volt – und dies erfordert spezielle Leistungskonditionierungsschaltkreise. Schlimmer noch, sie verlieren ihre Resonanzeigenschaften, wenn sie an einer Wand befestigt werden, und dies verringert ihre akustische Leistung um einen Faktor von Tausenden.
Aber Felber fand eine bemerkenswert einfache und effiziente Alternative, indem er einen völlig anderen akustischen Wandler nutzte, der mit einer 9-Volt-Batterie betrieben wurde. Seine neue Maschine ist im Wesentlichen ein Hammer oder, wie er es nennt, ein mechanischer Schlaggeber.
Dieser erzeugt durch wiederholtes Klopfen auf eine Metallscheibe ein starkes akustisches Signal, das dann mit einer bestimmten Frequenz mitschwingt. An einer Behälterwand befestigt, gelangt das Signal auf der anderen Seite in die Luft.
Ein akustischer Empfänger nimmt alle Reflexionen von jedem Impuls auf und ein Signalprozessor subtrahiert diese dann von den Reflexionen des vorherigen Impulses. Unveränderte Reflexionen von stationären Objekten heben sich auf. Damit bleiben nur die Reflexionen von sich bewegenden Objekten, wie z. B. Menschen.
Felber hat das Gerät getestet und zeigt, dass es eine Person auf der anderen Seite einer Wand erkennen kann, die sich bewegt, und sogar eine, die stillsteht, allein durch die Atmung.
Das ist eine beeindruckende Arbeit, die zeigt, wie eine einfache Idee die fortschrittlichste Materialwissenschaft übertrumpfen kann.
Es gibt natürlich Vorbehalte. Am wichtigsten ist die Art und Weise, wie der mechanische Impaktor mit der Wand koppelt.
Um gut zu funktionieren, müssen das Gerät und der Empfänger sorgfältig so an der Wand befestigt werden, dass ihre Resonanzfrequenzen nicht wesentlich verändert werden, da dies dazu führen würde, dass die Signale verloren gehen.
Das mag in einem Test möglich sein, aber eine wichtige Frage ist, ob es in der Praxis möglich wäre, wenn Tausende von Frachtcontainern bei unterschiedlichsten Wetterbedingungen gescannt werden müssen.
Trotzdem ist Felber optimistisch. Er sagt, dass die Geräte in der Lage sind, Frachtcontainer aus Stahl mit einer Geschwindigkeit von zwei Containern pro Minute aus der Ferne und unaufdringlich auf blinde Passagiere zu scannen.
Die Tatsache, dass eine dringende Lösung für dieses Problem erforderlich ist, wird sicherlich die Aufmerksamkeit auf diese Arbeit lenken und dazu beitragen, sich auf die letzten paar praktischen Probleme zu konzentrieren, die geklärt werden müssen.
Ref: arxiv.org/abs/1507.01479 : Demonstration eines neuartigen akustischen High-Power-Through-The-Wall-Sensors