RuView 垂直线路物理可行性评估：从穿透树叶的野生动物感知到穿缝船舶感知

本篇技术指南聚焦 RuView 研究体系中两个"奇异垂直物理"（exotic vertical physics）线路——面向野生动物的穿叶感知（R10）与面向船舶舱室的穿缝感知（R11）。它们是目前仓库中仅有的两个具备可计算物理演示（computable physics demos）的垂直线路，其余（R14 共情电器、R16 医疗、R17 工业、R18 灾害、R19 畜牧、R20 量子）均为愿景/规格级描述。读者读完本文后，将掌握：如何用 ITU-R P.833-9 植被衰减模型与 ESP32-S3 链路预算推导有界感知距离；如何用趋肤深度、海水损耗与缝隙衍射三组物理公式判定海事场景的可行性边界；以及如何通过仓库内的两个纯 NumPy 脚本复现全部数值结果。

概览：两个可计算物理的垂直线路

本线路的完整定义位于 08-verticals/README.md，它明确区分了两类垂直应用：野生动物（穿叶）与海事（穿舱壁）。核心结论可以浓缩为一句话：R10 证明了"穿叶可行"，R11 证明了"穿舱壁不可行、但穿缝可行"。

脚本	线程	垂直领域	核心结论
r10_foliage_attenuation.py	R10	穿叶野生动物感知	ITU-R P.833-9 衰减模型；ESP32 稀疏植被下 2.4 GHz 感知距离约 100 m（后经 R6 菲涅尔净空考虑修正为约 70 m）；8 物种步态分类体系
r11_maritime_propagation.py	R11	海事 / 船舶舱室感知	2.4 GHz 钢铁趋肤深度 3.25 µm → 穿舱壁不可能；但缝隙衍射可行：2 mm 密封条间隙的舱门 = +31 dB SNR 余量。结论是"穿缝，而非穿舱壁"

两个脚本均位于 examples/research-sota/08-verticals/，采用纯 NumPy 实现、无绘图依赖，运行时直接输出 JSON 结果文件，便于下游消费者渲染曲线。

R10：穿叶野生动物感知（through-foliage）

行业背景与动机

野生动物保护长期依赖昂贵且过时的数据手段：相机陷阱、粪便 DNA 调查、定点计数。它们具有季节性、劳动密集、且偏向"明星巨兽"物种。2.4/5 GHz 的 WiFi CSI 可以穿透轻中度植被，而 RuView 已有的步态频率基元（原本用于人类呼吸/心率检测）可以干净地迁移到四足动物——步态频带不同，DSP 相同。一个太阳能供电、置于防风雨外壳中的 ESP32-S3 节点，理论上可以7×24 小时被动计数并识别附近动物，零光污染、无闪光、无视觉干扰。按约 15 美元 BOM 成本和约 50 mW 平均功耗估算，100 节点的监测网格前期投入不足 2 千美元且无持续成本。

ITU-R P.833-9 植被衰减模型

植被衰减按公式 A_v(d) = A_max · (1 − e^(−γd)) · √f 建模，参数在 r10_foliage_attenuation.py 中按三种植被密度参数化（数值校准自 ITU-R P.833-9 表 1 的夏季落叶林数据与仿真研究）：

植被密度	A_max	γ
稀疏（果园、稀树草原）	20 dB	0.10 m⁻¹
中等（郊区树冠）	35 dB	0.20 m⁻¹
密集（雨林冠层）	50 dB	0.35 m⁻¹

注意公式中的 √f 频率缩放项：频率越高衰减越大，这正是 5 GHz 在植被场景下迅速失效的根本原因。

ESP32-S3 链路预算

结合自由空间路径损耗（FSPL = 32.45 + 20·log10(f·d)，f 以 GHz、d 以 m 计）与 ESP32-S3 的 1×1 SISO 链路预算（数值来自 Espressif 数据手册与标准 WiFi 规范，见 r10_foliage_attenuation.py）：

Tx 功率（FCC 最大）：          +20 dBm
Tx 天线（PCB）：               +2 dBi
Rx 天线（PCB）：               +2 dBi
Rx 灵敏度（HT20 MCS0）：      -97 dBm
                            ─────
总链路预算：                   121 dB
为 CSI DSP 预留的 SNR 余量：  10 dB
可用预算：                     111 dB

脚本用二分搜索数值求解 FSPL + 植被衰减 = 111 dB 时的距离，实现见 max_sensing_range。

有界感知距离

运行脚本 得到的感知距离矩阵（已固化在 r10_foliage_results.json）：

频率	稀疏	中等	密集
2.4 GHz	99.6 m	12.0 m	4.1 m
5 GHz	19.9 m	5.2 m	2.1 m

**2.4 GHz × 稀疏植被（约 100 m）**是实际甜蜜点——足以覆盖森林空地的相当一部分、边缘栖息地、稀树草原或作业农田。5 GHz 一旦植被变厚，超过 20 m 基本无用。原文档同时提醒：该 100 m 数值在考虑 R6 的菲涅尔净空（Fresnel clearance）后被修正为约 70 m。

作为对照，典型相机陷阱覆盖约 10 m（PIR 触发范围）。该系统在稀疏条件下空间覆盖为相机陷阱的 10 倍，在中等条件下相当，且具有"常开而非触发驱动"的特性——那些无法触发 PIR 传感器的缓慢移动动物（熊、树懒）也能被观测到。

每物种步态频率分类体系

生物力学文献（Schmitt 2003、Heglund 1988、Gambaryan 1974）给出标准步态频率。wifi-densepose-signal::vital_signs 中已用于人类呼吸/心率的 DSP 带通滤波器可以干净地映射到这些频带：

物种	步态频率 (Hz)	DSP 滤波器
熊 / 树懒 / 野猪	0.5 – 1.5	低频带
人类步行	1.2 – 2.5	中频带
麋鹿 / 浣熊 / 狼	1.5 – 3.5	中频带
鹿	1.8 – 4.5	中频带
狐狸	2.0 – 4.5	中频带
松鼠	4.0 – 10.0	高频带
小鼠 / 鸣禽	5.0 – 15.0	高频带

脚本中的完整频带数据（含 elk、wolf、raccoon、wild-boar 等共 10 个物种条目）见 gait_frequency_band 与 r10_foliage_results.json。需要强调的是：频带相互重叠，仅靠频率并非干净的分类器——必须结合时间模式（鹿为 4 拍不对称步态、狼为 4 拍对称、熊为 4 拍交替对）与体型包络（大体型 vs 小体型的多普勒频移差异），从 CSI 实现按物种分类才是可行的。

该步态分类体系可直接延伸到 R19 畜牧垂直（牛 0.6-1.2 Hz、猪 1.0-2.0 Hz 等）。

今天就能落地的能力

即使不做物种识别，R10 仍具备三项立即可用的能力（详见 R10 研究笔记）：

1. 存在性与计数：cog-person-count v0.0.2 在通用"植被中移动物体"数据集上重训即可工作，无需架构改动。
2. 粗略体型分级：多普勒频移幅度与体型质量 × 步态速度相关，利用现有 56×20 CSI 窗口即可实现三分类（小鼠 / 狐狸 / 鹿及以上）。
3. 活动节律：24 小时周期内的聚合计数可揭示晨昏性（鹿、狐狸）、夜行性（浣熊）与昼行性（松鼠）种群，即便不识别具体物种也有价值。

诚实的边界：R10 不证明什么

R10 研究笔记明确声明（见 R10-through-foliage-wildlife.md）：

• 这是可行性说明，不是实测。仓库内没有任何真实野生动物数据；距离数字来自 ITU-R 模型假设而非现场验证。
• 植被模型是 1-D 简化；真实树冠有叶片抖动噪声、枝条摆动、微气候湿度变化。
• 动物不会配合地沿菲涅尔区直线行走 20 帧窗口，大多数观测将是局部的。
• 监管问题：保护区 100 mW 连续发射可能不被允许，需要低占空比包络（如每分钟 1 秒的采集窗口）。
• 不证明能从 CSI 单独识别特定物种、太阳能+LiPo 能在低光森林环境持续 7×24 采集，也不证明 wifi-densepose-wifiscan 的 BSSID 列表方案在零 AP 的偏远森林中能优雅退化——野生动物感知需要专用发射信标而非机会性 AP。

R11：海事感知（穿缝而非穿舱壁）

TL;DR：穿舱壁在物理上不可能

"面向船舶与潜艇的穿舱壁 WiFi 感知"这一浪漫构想，在 WiFi 频段物理上是错误的。2.4 GHz 下钢制舱壁的趋肤深度仅 3.25 µm——1 毫米低碳钢产生 2,674 dB 衰减，超出任何便携设备的链路预算达 10²² 倍量级。再聪明的 DSP 也无法从闭合金属中恢复信号。

真正可行的是穿缝感知（through-seam）：利用密封条、通风槽、舱口密封与舷窗垫圈处的衍射泄漏。本线程的价值正在于精确绘制哪些海事场景物理可行、哪些不可行。

钢铁趋肤深度

δ = 1 / √(π·f·μ·σ)

对低碳钢（σ = 1·10⁷ S/m，μ_r = 1），脚本 r11_maritime_propagation.py 计算（结果见 r11_maritime_results.json）：

频率	趋肤深度	每毫米衰减
2.4 GHz	3.25 µm	2,674 dB/mm
5.0 GHz	2.25 µm	3,859 dB/mm

1 mm 钢板的衰减量（2,674 dB @ 2.4 GHz）意味着完全不可穿透。

海水衰减

对海水（σ = 4.8 S/m，ε_r = 81）采用有损介质模型，衰减系数 α = (ω/c)·|Im(√(ε_r − j·σ/(ω·ε₀)))|（实现见 saltwater_attenuation_db_per_m）：

频率	衰减
2.4 GHz	852.8 dB/m
5.0 GHz	867.7 dB/m

海水同样高度不透明。头部没入水下 30 cm = 额外 256 dB 损耗 = 完全不可见。潜艇射频通信工作在 VLF（10-30 kHz）正是这个原因；WiFi 频段水下检测毫无希望。

缝隙衍射（那个漏洞）

对于导电体中宽度 w << λ 的窄缝，衍射损耗近似为：

L_slot ≈ 20·log10(λ / 2w)   当 w < λ/2
       ≈ 0                   当 w ≥ λ/2

2.4 GHz 下 λ = 12.5 cm，任何宽于 6.25 cm 的缝隙实际上完全透明。典型舱门密封条间隙为 2-5 mm——衰减显著（约 22-30 dB），但完全在链路预算之内。实现见 seam_diffraction_loss_db，脚本注释诚实标注这是"一阶物理的粗略近似"。

七个复合场景判定

脚本将七个场景的复合路径损耗（FSPL + 金属体 + 缝隙 + 海水）全部算出，链路预算 121 dB、为 DSP 预留 10 dB SNR 余量（结果见 r11_maritime_results.json）：

场景	路径	总损耗	SNR 余量	判定
落水者，水面漂浮 @ 200 m	空气	86 dB	+25 dB	✅ 可行
落水者，头部没入水下 30 cm	空气→水	342 dB	-231 dB	❌ 不可能
10 mm 闭合钢门后船员生命体征	钢体	1,049 dB	-938 dB	❌ 不可能
舱门 2 mm 缝隙的船员生命体征	缝隙	80 dB	+31 dB	✅ 可行
舱门 5 mm 缝隙的船员生命体征	缝隙	72 dB	+39 dB	✅ 可行
集装箱入侵（30 mm 通风槽）	缝隙	67 dB	+45 dB	✅ 可行
穿越潜艇耐压壳（30 mm 钢）	钢体	1,040 dB	-929 dB	❌ 不可能

这组数字是文章的"决定性证据"：穿缝场景的 SNR 余量高达 +31 至 +45 dB，而穿钢体场景的余量为 -900 dB 量级。结论一目了然。

R11 支持什么、排除什么

R11 支持：

• 约 200 m 的落水者水面检测
• 穿缝船员生命体征（独岗值守监控）
• 通过 30 mm 通风槽的集装箱篡改检测
• 舱口密封完整性审计（预测性维护）

详细应用场景（来自 R11 研究笔记）还包括：落水者检测通过"信标没入水线 → CSI 签名从'带海态多普勒的水面散射体'翻转为'无信号'"实现，且可用 R10 的步态频带检查做误报抑制；舱室内的穿缝生命体征用于无摄像头、无麦克风的独岗值守监控；货柜外传感器监测 CSI 签名突变以检测内容物移位或开门；已知位置发射机+外部接收机的衰减漂移可用于垫圈退化诊断。

R11 明确排除：

• 穿艇壳潜艇感知（钢体不可穿透）
• WiFi 频段水下感知（海水 853 dB/m）
• 穿水密舱壁进入无泄漏路径的密封舱室
• 任何合理厚度的天线罩穿透（多数天线罩薄到可穿透，但这不是本用例）

重新框定的垂直线路（带告诫）

1. 海盗小艇接近检测（10 年）：船体上层建筑的空对空链路感知可在雷达盲区低空检测接近的小船，约 100 m @ 2.4 GHz——R10 无植被空气模型的海洋版本。
2. 黑暗/烟雾中的船员态势感知（15 年）：穿缝生命体征+呼吸模式可告知损管人员舱内人员是否清醒，在烟雾遮挡摄像头时具有真实价值。
3. 鲸鱼撞击规避（20 年）：水面漂浮哺乳动物可由 CSI 多普勒签名检测，但瓶颈是距离（鲸慢船快，需要 200+ m 检测）；R6 菲涅尔包络在 200 m 链路长度下约 3.5 m 宽，足以捕获鲸鱼级目标，对小型哺乳动物则勉强。

与隐私与联邦链的组合

R10 与 R11 均复用三层基础设施（见 08-verticals/README.md）：

• cog-wildlife 或 cog-maritime-watch 打包（ADR-100）：每个 Cog 是自包含可执行文件，部署于 /var/lib/cognitum/apps/<cog-id>/，运行时契约统一为 run | health | version | manifest 四个子命令，manifest 含 binary_sha256 与 Ed25519 binary_signature 签名校验。
• 跨安装联邦（ADR-107 + ADR-108）：采用 Bonawitz 2016 安全聚合 + 跨安装差分隐私组合 + 密码学嵌入空间隔离，五层防御保证聚合器只见求和、模型泄露也无法跨安装关联。
• 每安装嵌入空间（R3 + R14 隐私框架）：禁止跨安装嵌入链接。

R10/R11 在隐私上有一个重要差异：对野生动物而言隐私框架基本无意义（动物无法同意）；而对海事场景，船员同意框架适用——这与 R14 共情电器的隐私框架可直接迁移。

与相邻研究线路的关系

• R6（菲涅尔前向模型）：穿缝泄漏的每子载波签名是开放空气签名的带通版本，受缝隙频响扭曲；R10 的 100 m 感知距离经 R6 菲涅尔净空修正为约 70 m。
• R1（CRLB）：小型船舶上层建筑的 4 锚点多基地配置（10 m 驾驶室四角）可达约 30 cm ToA 定位精度。
• R7（mincut 对抗检测）：海事场景必需——单链路欺骗容易（码头上的干扰机），4 个上层建筑传感器的多链路一致性是唯一加固手段。
• R12（本征漂移）：船舶上结构检测更难，因为自然漂移底数包含船体运动与引擎振动；PABS 在菲涅尔+振动基上的实现是海事版本。
• R5（显著性）：穿缝缝隙是频率选择性滤波器，穿缝的显著性分布不同于开放空气，是新的实验机会。
• R19（畜牧）：R10 步态分类法直接扩展到牲畜（牛 0.6-1.2 Hz、猪 1.0-2.0 Hz）。

可复现运行方式

两个脚本均为纯 NumPy 实现，无绘图库依赖，直接运行即可在终端打印结果表并写出 JSON：

# R10：穿叶衰减曲线 + 感知距离矩阵 + 物种步态频带
python examples/research-sota/08-verticals/r10_foliage_attenuation.py --out /tmp/r10_results.json

# R11：材料特性 + 七个海事复合场景
python examples/research-sota/08-verticals/r11_maritime_propagation.py --out /tmp/r11_results.json

脚本默认输出路径在各自 main() 的 argparse 默认值中声明；仓库已固化的权威结果文件为 r10_foliage_results.json 与 r11_maritime_results.json，可直接用于对照复现。两个脚本的 --out 参数支持任意目标路径（脚本内部会自动创建父目录）。

结语：物理先行的方法论

R10 与 R11 共同体现了 RuView 研究体系的核心方法论：在承诺任何能力之前，先用可复现的物理模型划定可行边界。R10 用 ITU-R P.833-9 植被衰减 + 链路预算推导出"2.4 GHz 稀疏植被约 100 m（考虑菲涅尔净空后约 70 m）"的诚实范围；R11 用趋肤深度、海水损耗与缝隙衍射三组公式推翻了"穿舱壁"的浪漫叙事，同时为"穿缝"场景保留了 +31 至 +45 dB 的宽裕 SNR 余量。两者的代码（纯 NumPy、数十行、输出结构化 JSON）都是可审计、可复现的——这为后续的现场验证（相机+ESP32 双采集、穿缝频响测量）提供了明确的实验设计前提。对于任何评估"WiFi 感知还能做什么"的工程师，这份文档与其脚本是判断"物理上站得住"与"仅停留在愿景"的分界线。