「スーパーイヤー」は本当に存在する！生命探知レーダーは厚い瓦礫の下の微かな鼓動をどうやって「聞く」のでしょうか?

トゥチョンクリエイティブ

レーダーについて話すとき、多くの人は軍事を思い浮かべるでしょう。なぜなら、レーダーの最も初期の応用は軍事目的だったからです。しかし、人命を救うことを使命とするレーダーも存在します。特殊な物体を検知するために特別に用いられる生命探知レーダーです。その標的は飛行機やミサイル、衛星ではなく、厚い瓦礫の下に埋もれた人々だ。

レーダーを使用して生命兆候を検出することは、特に人間の救助や医療監視において大きな応用可能性を秘めています。しかし、この技術の実装には多くの課題が伴います。以下で説明する技術的な課題をより簡単に理解するためには、まずレーダーが一般的にどのように機能するかを知る必要があります。一般的なレーダー システムには、主に送信機、受信機、アンテナ、信号処理ユニット、および表示ユニットが含まれます。送信機は高周波の電磁波を発生し、アンテナを通じて目標方向に送信します。これらの電磁波は、ターゲットに遭遇すると反射または散乱されます。受信機は、アンテナを介してターゲットからの反射信号を受信し、予備的な信号増幅とフィルタリングを実行します。アンテナは電磁波の送受信を担っており、その性能はレーダーシステムの検出能力に直接影響します。高感度かつ高指向性のアンテナにより、システムの検出範囲と精度を効果的に向上させることができます。信号処理ユニットは、フィルタリング、増幅、スペクトル分析、特徴抽出などの手順を含む受信した反射信号を処理し、有用なターゲット情報を抽出します。ディスプレイユニットは、処理された信号を画像、波形、データなどの視覚情報に変換し、ユーザーが観察および分析できるようにします。

これを踏まえて、生命探知レーダーが直面する課題を見てみましょう。おそらく、検出信号の弱さ、環境干渉とノイズ、ターゲット識別の複雑さ、技術的なクロスオーバーを実現することの難しさという 4 つのポイントがあります。

まず弱い信号の検出について見てみましょう。心拍や呼吸などのバイタルサインは、人体の表面に、わずか数十分の1ヘルツの周波数と数ミリメートルの振幅の微細な動きを引き起こします。この微小な動きの周波数は極めて低いため、そのエコー信号はレーダー システムの固有のノイズによって簡単にかき消されてしまいます。空軍医科大学の王建奇教授は「それを知覚することは、市場の騒々しい環境から縫い針が地面に落ちる音を分離し、それを可聴レベルまで増幅するようなものだ」と述べた。微小動作信号の検出には、極めて高い信号対雑音比と精密な信号処理技術が必要であり、これがレーダーが生命特性を検出する際に直面する主な課題です。

その後、レーダー信号は伝播の過程で壁、金属物、さらには天候などさまざまな要因によって干渉を受けます。これらの干渉により信号の反射と散乱が発生し、レーダーエコーから耐用年数シグネチャ信号を抽出することが非常に困難になります。例えば、地震後の救助現場では、建物の廃墟の中に多数の反射源や散乱源が存在するため、信号処理の難易度が大幅に高まります。

さらに、レーダーシステム自体のノイズや環境ノイズも克服すべき重要な障害です。実際のアプリケーションでは、ターゲットを正確に識別し、その寿命状態を判断する方法がもう一つの大きな課題です。例えば、人間や動物の微細な動きの信号を判別する方法や、信号を通じて閉じ込められた人の生命状態を判断する方法など、複雑な信号処理・解析技術が必要です。生命の特徴的な信号の複雑さと多様性により、ターゲットの識別は非常に困難になります。さまざまなシナリオやアプリケーション要件に応じて、レーダー システムはさまざまな複雑な状況に対処できる高い柔軟性とインテリジェンスを備えている必要があります。

最後に、レーダーによる生命特性の検出を実現する技術は、レーダー技術、信号処理、生物医学工学など、複数の分野の交差点に関係しており、生命特性の効果的な検出を実現するには、高周波マイクロ波技術、デジタル信号処理、機械学習など、複数の技術手段を総合的に使用する必要があります。各リンクは慎重な設計と最適化を必要とし、いずれかのリンクに間違いがあるとシステム全体の障害につながる可能性があります。さらに、レーダー システムのハードウェア実装には、高感度レーダー アンテナ、低ノイズ受信システム、効率的な信号処理ユニットなどの課題もあり、これらはすべて慎重な設計と製造が必要です。

このため、生命の痕跡をレーダーで検出することは長い間、世界的な課題と考えられてきました。

1990年代以降、中国の科学研究チームは生命の痕跡を探知するためにレーダーの利用を研究し始めた。王建奇教授率いるチームは、長年の努力の末、わが国初の独立した知的財産権を持つ生物レーダーの開発に成功しました。このレーダーは障害物を貫通し、生物の微細な動きを検知し、閉じ込められた人を効果的に検知することができます。

微弱な生体信号を捉えるために、研究チームは新しいゼロIFトランシーバーシステムを構築しました。このシステムは、コヒーレント信号の遅延を制御することで、システム固有のノイズと体表面の微小な動きによって生じるエコーを分離します。さらに、研究チームは生命シグネチャー信号の生理学的特性に関する詳細な研究を通じて、生命信号に対して非常に敏感なレーダー送受信システムを設計し、信号フィルタリングと電力増幅のマッチング問題を解決しました。

技術の継続的な発展により、チームは生物学的レーダーから「X線メガネ」への飛躍を達成しました。研究チームは、メタマテリアル（構成材料の化学的性質に頼るのではなく、内部構造を注意深く設計することで特定の物理的性質を獲得する人工材料）を設計し、繰り返し改良して、バイオレーダーの外層を覆う、光の位相、振幅、偏光などの特性を制御できる特殊な幾何学的形状を持つ小さな構造で構成された薄い層である光学的に透明なメタサーフェスを作成した。バイオレーダーから放射された電磁波がメタサーフェスを通過する際、メタサーフェスは眼球運動情報に基づいて電磁波の伝播方向や特性を柔軟に調整し、ターゲットの正確な検出を実現します。 「見たいところを探して、探査したいところを探索する」という目標を達成し、機器の柔軟性とインテリジェンスを大幅に向上させ、災害救助のためのより便利なソリューションを提供します。

中国の科学者らが成し遂げたこれらの技術的進歩は、まだ研究段階にとどまらず、実際の戦闘でもテストされている。 2008年の汶川地震の救助活動中、王建奇教授のチームは生物レーダー機器を携行し、瓦礫の中から生存者の生命信号をうまく検出し、救助活動に貴重な情報支援を提供しました。現地テストを通じて、バイオレーダーは倒壊した3階建ての建物の残骸を貫通できることが示され、その強力な検出能力と応用価値が実証されました。

しかし、中国は生命特性のレーダー探知に関する研究で目覚ましい成果を上げているものの、国際的に先進的な技術と比較すると、依然として一定の隔たりがあることを我々ははっきりと認識しなければならない。国際的には、米国や欧州などの研究機関や企業が早くから生命特性のレーダー探知に関する技術研究に着手し、豊富な経験と技術を蓄積してきました。例えば、マサチューセッツ工科大学が開発したマイクロモーションレーダーシステムは、高精度のバイタルサインモニタリングを実現でき、欧州の一部企業も商用の生命検知レーダー装置を発売している。

しかし、この分野における中国の研究も急速に追いついています。中国の科学研究チームは、独自の革新と技術革新を通じて、高性能の生物レーダー機器の開発に成功しただけでなく、研究室から実用化への急速な変革も達成しました。例えば、汶川地震後の捜索救助活動では、中国チームが携行したバイオレーダー機器が重要な役割を果たし、実際の救助活動においてその有効性が証明されました。今後、生命特性を検知するレーダー技術は幅広い応用が期待されます。まず、災害救助において、この技術は閉じ込められた人々を素早く見つけ出し、救助のための貴重な時間を稼ぐことができます。第二に、医療モニタリングでは、非接触レーダーバイタルサインモニタリング装置を病院や在宅ケアで使用して、患者のモニタリング精度と快適性を向上させることができます。さらに、この技術は、潜在的な安全保障上の脅威の検出や戦場での死傷者の監視など、安全保障や軍事の分野にも応用できます。技術が成熟し、最適化されるにつれて、生命特性のレーダー検出の応用はより広範囲かつ詳細になるでしょう。特に人工知能と機械学習技術のサポートにより、この技術のインテリジェンスと自動化レベルがさらに向上し、より正確で効率的な検出機能がもたらされます。

生命特性のレーダー探知の分野では、中国と海外諸国の間に協力と競争の両方が存在します。国際協力を通じて、中国の科学者は外国の先進的な技術や経験を活用し、学び、自国の技術開発を加速させることができる。同時に、中国は技術革新と躍進を通じて、この分野で徐々に独自の優位性と特徴を形成してきました。中国の生物レーダーと「X線メガネ」システムは、性能と応用シナリオにおいて独自の革新性を備えており、国際的なレーダー探知技術の発展に新たなアイデアとソリューションを提供しています。今後の発展において、レーダーによる生命特性検出技術は独自の優位性を発揮し続け、人類社会の発展と安全にさらに貢献するでしょう。

この記事は科学普及中国創造育成プログラムの支援を受けた作品です。著者: ロケットおじさん科学普及活動家

査読者: 中国地質大学教授 シャオ・ロン

制作：中国科学技術協会科学普及部

制作：中国科学技術出版有限公司、北京中科星河文化メディア有限公司