一项被称做微功率脉冲雷达(MIR)的新技术,能使工程师制造前所未有的全新产品。它可广泛地应用于车辆、住宅、工厂及医院。可以毫不夸张地说它有101种用途。
MIR是加利福尼亚州利弗莫尔劳伦斯国立实验室核武器研究的一个副产品,该实验室的一个大型项目需要研究人员测量小型核聚变反应的极短的能量脉冲。为此,麦克尤恩和他实验室的同事建造了许许多多沿一条输电线配置的采样装置。就像在不到十亿分之一秒同时打开极小的门选通脉冲一样,样装置记录沿线许许多多点的电压数字读出。
麦克尤恩小组设计的采样装置比早期系统使用的价值4万美元的示波器更小和更准确,而且他们的价格每个不足10美元。这使麦克尤恩产生了一个新想法:或许一个单独的采样装置能作为一个高速雷达脉冲接收机使用。它不只是开启一次,就像用于聚变研究的样装置一样 · 它的门选通脉冲能重复开关。这能使它高速测量从附近反射回来的无线电波。
麦克尤恩据此创造了一个雷达装置,该装置装于一个只有1.5平方英寸的电路板上。它通过一两个1.5英寸长的线状天线能发射和接收200英尺远的无线电波。该天线被直接焊接到电路板上,整个装置使用的电量远远低于其他任何雷达,它使用一对AA电池能连续工作8年。
撇开其他任何类型的雷达不说,调整MIR的是它的快速脉冲调制器,这能使它分析极短的雷达脉冲,小功率会使它相当精确。通过分析这些反射,雷达能确定无线电波碰到的物体的距离和方向。
雷达有好几种类型,例如,多普勒雷达发射连续无线电波并监听无线电波从移动物体反射回来时出现的频移,就如同蝙蝠发现要吃的昆虫。
另一种类型是脉冲回波雷达,就像潜水艇上的声呐一样,它发射雷达脉冲并监听回波,麦克尤恩的MIR就类似于此,但它发射的脉冲比其他雷达短得多,每个都不超过十亿分之一秒,而且,MIR每秒发射大约100万次这样的超短脉冲。
因为脉冲极短,MIR穿过比常规雷达更宽的无线电频带工作。这使该雷达不易受其他雷达系统的干扰。并且,与常规雷达相比,MIR在低频带工作,因此能更好地穿透水、冰以及泥土。
因为这种新雷达不受温度或噪音的影响,它优于现有红外线和超声波传感装置。红外线易受强日光的妨碍或被一个振动的热物体激发,例如,一台室内空调器。而超声波受不同气温影响失真,被水分吸收,以及对周围的噪音敏感,麦克尤恩断言这种新技术将差不多能完全取代超声波,
美国许多公司想用它制造不挤人的电梯门;儿童太接近时能自动关闭的空间对流加热器;计算距离更准确的自动聚焦照相机;从节水卫生间到炼油厂油罐的所有一切液位传感器;自动探测物体位置的虚拟真实耳机;甚至在高尔夫球场周围自动跟随打高尔夫球的人的运送工具车。
设在加利福尼亚州蒙罗维亚的Amerigon公司是第一家获得MIR技术许可证的公司。它计划中的用途是汽车安全装置,例如,一个倒车报警系统。该报警系统可安在车尾灯、保险杠或后行李箱盖,只要倒车它就会启动。该系统会发出一种音调,当太接近停放的车辆或其他物体时会增强音调强度,而达到6英寸时便开始发出嘟嘟声。Amerigon公司已把这种倒车报警系统的原型转让给了汽车制造商,可望在1997年上市。该公司估计此系统的市场售价不会超过200美元。
Amerigon公司还设了一种产品,当你发出改变车道的信号时,该产品向车两边的盲点发出雷达探测信号。如果雷达探测到另一辆车,它将发出一个警告。
下一步的目标是设计当另一辆车阻塞你的车道时,使你的车减速的“聪明的”车速控制装置;张开气袋的防撞系统;探测路上的障碍物相应调整车辆暂停的传感器。为了使雷达在速度检测器或自动制动上发挥作用,必须集中于窄波束(这样它将跟踪正确的车辆)。该技术正在研制过程中。
在一辆车上雷达可能的10种不同用途,然而,他们不会互相干扰。虽然MIR每秒发出100万次左右的脉冲,但他们不会被隔开。
一开始,麦克尤恩把这个东西看作是一种隐形雷达,这是因为:第一,来自MIR装置的雷达信号实际上是不可能被发现的。因为该雷达积聚了相当多的脉冲,而单个脉冲可能非常弱。该雷达发射的辐射只有蜂窝状电话的大约百万分之一。第二,该雷达能“看穿”物体,例如,一部配备MIR的防盗报警器即使被藏在衣橱的鞋盒中一样能工作。其无线电脉冲穿透障碍物就像信号传到无绳电话或电视天线一样。这并不是说雷达看不见墙,雷达探测墙的反射正像当你透过窗户看去时你注意的反射。
如果把它藏在住宅中,一台MIR防盗探测器能与一台汽车库门型的发射机结合起来,该发射机能用信号通知住宅中心报警系统开启警报器,或自动打电话给警察当局。今后,盗贼没办法知道他已被发现。雷达信号很弱,盗贼即使用无线电扫描器也不能探测到它。作为一种安全装置使雷达变得特别实用得是其距离选通能力。假设每个无线电脉冲都是一个穿湖而行的大浪,该浪碰到岛反冲并朝你返回。浪返回所花的时间量要看它离岛多远。通过调整雷达只在适当时候开启接收一定距离回波的门选通脉冲,它将不接收传到雷达的所有其他回波。
第一个商品化的MIR产品是一种建筑工具,它能探查出埋置在混凝土中的钢筋。该工具由加利福尼亚州坎贝尔Zircon司制造,预计1995年春上市,价格约100美元,制造普通柱螺栓探测器的该公司也用雷达研制出一种新柱螺栓探测器。该装置能使用户了解墙深处的结构。通过调节该工具的深度装置,用户甚至能看到一根管子或柱螺栓背面的情况。
该技术使柱螺栓探测器超出了原技术水平,在最近的一次示范中,该公司证明了MIR装置如何能探测到位于曲面混凝土瓦下面的梁。最终,Zircon公司也能创造出能探出暗管,甚至塑料管以及检查建筑物是否有结构损伤的器具。
麦克尤恩希望使用一个雷达天线阵建造一种能探查埋设的地雷器具。世界上有8500多万枚未爆炸的地雷,每月被炸死约800人。在最近的一次试验中,麦克尤恩说一个雷达装置探出了埋设的每一颗地雷。他说这样一种装置作为一种标准的金属探测器对制造商来说是很合算的,而且能探查金属和塑料地雷。
在某种意义上,MIR能挽救生命。因为该雷达的平均排气污染程度仅仅一微瓦(暴露在这样的微波辐射之下的国际标准为千分之一)。作为一种医疗无害的诊断工具,麦克尤恩正在研制一种心脏监视器,它工作起来有点像心电图,只是它测量心肌收缩而不是其电脉冲。把它放置在胸膛,隔着衣服就能读出心脏的跳动,信息在屏幕显示器上呈一条Z形线。
该仪器甚至能和心电图组合成一个单机,这能提供给急救室的医生以特别的和潜在地关键性信息。在某些情况下,即使当一个病人的心脏仍在跳动,心电图会给出一个“平线”读出。医生会认为这人死了,其实他并没死。一台测量肌肉运动及电刺激的机器将帮助确定病人的心脏是否仍在某一水平上活动。
MIR也能引入听诊器,它能探测心肌的运动而不是压出血的声音。
用雷达探测肺的运动而不是心脏的运动,工程师们可以造一个呼吸监视器,这样一个装置可防止突发婴儿死亡综合病症,或用于睡眠窒息的人。雷达呼吸监视器不像其他装置,不必接触病人的身体,它可通过一张垫子工作。
因为该雷达很小,军队正试验把它用于士兵军服中的可能用途。如果士兵受伤或生病,该雷达装置能测量他身体重要器官的信号,并把他们发给医疗指挥所。
军队对雷达感兴趣是由于它的低成本,高鉴别能力,轻便;以及透过衣服使用的能力,空军莱特实验室的迈克 · 霍普迈耶说,一旦它按比例缩小装在集成电路块上,就会有一个可随意使用的诊断医疗装置。该雷达开辟了一个医疗诊断的全新世界。
该技术也能通过探测掩埋在地震或坍方废墟下的人的肺或心脏运动支援搜寻和营救任务。装入一个轻便型装置,它甚至能用于执法人员,因为他们很想在进入房间前就发现房间里的人。然而,最出乎麦克尤恩意料之外的用途是液位读出。有许许多多的公司因各种各样的原因想要测量液位。例如,啤酒厂需要能准确地测量容器中的啤酒液位,但是,标准的测量装置经常被泡沫阻挠。
几十家公司已找到利弗莫尔劳伦斯国立实验室想弄清楚他们怎样才能使用该雷达测量液位,由于感兴趣,麦克尤恩已研制出一种新产品的样机,他把它叫作水位指示器。不过它不使用无线电波,它只使用MIR高速脉冲技术沿一条线发射小的电脉冲。该装置测量能量从液体反射所需的时间并使用这个测量数据来计算距离。同时,它也能用于固体,因此也能用于测量粮仓中的谷类。
由于涂有塑料,水位指示器也能安装于一辆车的散热器、挡风玻璃的液体容器或曲轴箱。既然有一个油箱计量仪表,为什么不也有一个油计量仪表呢?
[Popular Science,1995年3月]