用于檢測廢墟下被困者心跳的雷達設備

2016年7月一個悶熱的早晨，在原北弗吉尼亞州一所監獄的廢墟中，小大衛·路易斯（David Lewis Jr.）爬進一根混凝土管道中。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公司新開發的FINDER設備（Finding Individuals for Disaster and Emergency Response，災難和應急響應用被困者搜救設備）開始進行實景訓練。輕輕一點按鈕，設備即開始根據物體和環境校準雷達，之后就進入檢測模式。在雷達啟動后大約3min時，設備的手持式圖形界面上顯示出搜索結果；在一張識別出路易斯的有關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公司的一名項目經理。他的同事，負責業務開發的副總裁肖恩·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”，路易斯解釋道。FINDER的準確率還有待提高：在第一次測試中，該設備誤將路易斯識別成了2個人。雖然還需要不斷改進，但這種設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。雖然路易斯曾被設備誤認為是2個人，但克洛科特說：“對我們來說，這一誤差并無影響。一旦我們發現廢墟中有生命跡象，我們就會進去救人。”

總部位于馬里蘭州的埃奇伍德公司（Edgewood）正在開發一系列此類遙感設備，以幫助災害搜索及救援團隊。這些設備基于NASA開發的先進雷達技術，并由NASA的噴氣推進實驗室（JPL）作了相應技術改進。JPL負責FINDER項目的任務經理吉姆·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驗，例如，通過近地軌道觀察地震活動，或者通過行經行星的衛星路徑的微小變化，并能夠通過這些微小變化了解重力的波動。但是，要提取此類數據微弱變化的規律，設備必須要消除大量的噪聲才行。“這里的核心技術在于：在存在另一個更強信號干擾的情況下，能夠檢測出有用的微弱信號。”盧克斯說。

21世紀初期，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，來確認戰場上是否還有部隊幸存，并遠程獲取相關的生物醫學數據。盧克斯介紹說，當時已經完成了部分研究，并且還打算進行后續的應用研究，例如，用于監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，發現JPL的工程師已完成了心跳遠程檢測技術的研究。DHS下屬單位聯邦緊急事務管理局（FEMA）想用這樣一種設備來定位被困的幸存者。在DHS的資助下，盧克斯的團隊開始著手開發FINDER原型機。

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計和封裝技術。利用反射微波雷達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據流中找出輕微運動的技術。“這項技術綜合了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。”一旦工程師們能夠識別心跳，他們就必須進一步完善信號處理算法，以區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，設備必須能夠識別不同心率與呼吸率的節奏情況。盧克斯說，這是可以實現的，因為心臟跳動隨呼吸而加快或減慢。FINDER在特定區域內最多可檢測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據，NASA探測出反映重力波動的輕微路徑移動，從而使科學家得以構建整個紅色星球的重力圖

幾年前，在JPL開發出原型機，并且DHS對其進行測試之后，R4公司的創始人，同時也是2名美國陸軍老兵，在網上看到一篇關于FINDER的文章。文中稱，管理JPL的加州理工學院（Caltech）正在尋找可將該技術商業化的公司。R4公司表明了意愿，于是不久之后，Caltech便向R4公司及SpecOps Group 公司頒發了FINDER許可證，其中SpecOps Group 公司正在努力將自身利用該技術開發的設備商業化。在接下來的幾年里，R4公司為此技術開發了更為輕巧的外殼，使之更加耐用，同時改進了圖形界面。“我們在各方面均進行了改進，使它成為現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公司的另一位創始人，在地震發生4天后，就帶著2臺FINDER原型機抵達現場，加入了搜救隊。在受災嚴重的Chautara村，救援人員使用這些設備，在紡織廠廢墟下發現了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害，可能導致數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噴氣推進實驗室（JPL）的工程師利用其分析微弱信號的經驗開發出了一種技術，可通過雷達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的授權，并對這種技術進行了開發，目前其研發的產品正向美國及國外的政府機構推廣。

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

——噴氣推進實驗室，吉姆·盧克斯

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

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

2015年10月，聯邦緊急事務管理局（FEMA）正式宣布將向美國市政機構提供資金，以滿足其購買R4公司FINDER設備的請求。FINDER設備目前已被列入FEMA的《授權設備清單》，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、聲學和雷達設備及配件”。“這一決定使緊急救援機構得以利用這些資金獲取新的技術裝備”，路易斯說。他指出，洛杉磯、圣地亞哥及舊金山的應急小組及弗吉尼亞1號特遣部隊和一些非營利組織都對此表示了興趣。同時，FINDER已經有了首批官方客戶，包括美國陸軍情報及信息戰局，以及厄瓜多爾基多消防局。克洛科特說，隨著R4公司這一技術在美國乃至全世界的展示，也引起了中國臺灣、日本、韓國、阿聯酋、危地馬拉、哥倫比亞及阿根廷的關注。

由于這些國家和地區大多位于地震多發區，R4公司目前正在阿聯酋首都阿布扎比開展安全試點計劃。鑒于當地的高溫環境，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來確認車中乘客的數量是否與所提供護照的數量相符。通過繪制心率及呼吸率圖，這些設備還能夠檢測到被檢人員是否存在恐慌情緒。“關于如何使用我們的技術，人們提出了各種各樣的想法”，克洛科特說。

▲盡管JPL工程師還在繼續與R4公司合作，但R4公司必須自己完成很多開發工作才能使FINDER的功能更強大。FINDER目前已在市場上出售，公司團隊仍在不斷進行技術改進

▲R4公司正在開發一種可安裝在八旋翼無人機上的FINDER機型，它可以在飛越廢墟時連續掃描尋找受困人員。此外，R4公司還有可安裝在卡車或摩托車上的其他FINDER機型產品

R4公司還設計了可安裝在遙控八旋翼直升機、皮卡車及摩托車上的FINDER機型，以便用其在正常情況難以到達的區域展開搜索。R4公司目前的研究方向還將GPS和激光雷達結合起來，使FINDER可以在無人機上進行準確、連續的導航。另一個方向是將來自懸停無人機裝置的讀數與來自地面上另一FINDER的讀數相結合，從而更精確地對被困者的位置進行三角測量。克洛科特說，現階段的FINDER已展現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。“這是一種真正能挽救生命的獨特技術。”

R4公司還在不斷改進FINDER，以提高其在各種情況下的工作效率。克洛科特說：“改進的秘訣主要在于算法及我們所使用的各種專用傳感器。”換句話說，改進的秘訣就是基于JPL技術的硬件和軟件。克洛科特表示，JPL將繼續作為戰略合作伙伴與R4公司等機構合作，嘗試實現遠距離讀數，并幫助公司完成FINDER的測試和演示。“他們仍在支持FINDER，他們是我們強大的支撐。”路易斯說。