Jak metamateriały odkrywają na nowo trójwymiarowe obrazowanie radarowe

Radar z aperturą syntetyczną jest niezwykłą techniką obrazowania, która zapewnia wysokiej rozdzielczości obrazy 2D i 3D z odbić radarowych. Ponieważ opiera się na radiu lub mikrofalach, a nie na świetle widzialnym, może widzieć przez mgłę, chmury, a czasem nawet ściany. Z tego powodu stała się popularną techniką wykrywania Ziemi, kontroli bezpieczeństwa i sponsorowanego przez państwo szpiegowania.

Jest jednak problem. Systemy radarowe z aperturą syntetyczną są zwykle duże, energochłonne i złożone mechanicznie, gdy mają mechanizmy sterujące, które je nakierowują. Wszystko to sprawia, że ​​są też drogie. Dlatego radar z syntetyczną aperturą jest używany głównie przez organizacje wojskowe i rządowe, które mogą sobie na to pozwolić.

Zatem każdy sposób na zmniejszenie, tańsze i wydajniejsze systemy radarowe z syntetyczną aperturą byłby niezwykle istotny.

Dzisiaj Timothy Sleasman z Duke University w Durham w Północnej Karolinie i kilku kumpli ujawniają właśnie taki system. Ich radar z syntetyczną aperturą jest zbudowany z egzotycznej nowej substancji zwanej metamateriałem, co czyni go bardziej elastycznym, wydajniejszym i tańszym niż cokolwiek zbudowanego wcześniej – przy zachowaniu tej samej jakości obrazu, co tradycyjne systemy radarowe z syntetyczną aperturą.

Systemy radarowe tworzą obrazy, emitując serię impulsowych fal radiowych, a następnie rejestrując sygnał odbity od otoczenia. Rozdzielczość tej techniki jest ograniczona wielkością odbiornika. Jednym ze sposobów na zebranie większej ilości powracających fal jest użycie czaszy odbijającej o większej powierzchni niż zwykła antena. Zwiększa to rozdzielczość radaru.

Jednak w latach pięćdziesiątych amerykańscy inżynierowie z branży lotniczej zdali sobie sprawę, że istnieje inny sposób na ulepszenie procesu zbierania sygnału — poprzez przesuwanie anteny podczas jej odbioru.

W tym scenariuszu antena znajduje się na pokładzie samolotu lub statku kosmicznego. Emituje impuls radiowy, który rozprzestrzenia się i odbija od szeregu obiektów na ziemi. Odbity sygnał wraca do anteny, która się poruszyła. Odległość, jaką pokonuje w tym czasie, skutecznie zwiększa wielkość apertury odbiorczej, a tym samym rozdzielczość systemu.

Oczywiście musi istnieć potężne przetwarzanie sygnału, aby numerować sygnał, gdy powraca on do tworzenia obrazów 2-D i 3-D. Ale w dzisiejszych czasach jest to stosunkowo proste. Rezultatem jest radar z syntetyczną aperturą o znacznie wyższej rozdzielczości niż antena stacjonarna.

Od lat pięćdziesiątych ta technika została znacznie ulepszona i dopracowana. Na przykład, rozdzielczość można zwiększyć jeszcze bardziej, przesuwając nadajnik w trakcie jego ruchu, aby skierować go na określony cel. Inną techniką ogniskowania wiązki jest użycie szeregu anten, z których wszystkie wytwarzają impulsy, które interferują w sposób, który kieruje cały sygnał w określonym kierunku.

Ale te techniki są energochłonne, skomplikowane mechanicznie i drogie.

Wejdź do Sleasmana i spółki oraz ich metamateriału. Jest to struktura okresowa wykonana z maleńkich elementów elektronicznych, z których każdy oddziałuje z polem elektromagnetycznym. Razem te składniki nadają materiałowi egzotyczne właściwości masowe, których w innym przypadku nie można znaleźć w naturze.

Różne grupy zbudowały metamateriały, które w dziwny sposób zaginają fale elektromagnetyczne, w tym światło widzialne. W ten sposób zbudowali nawet peleryny-niewidki. (Rzeczywiście, lider tego zespołu, David Smith, zbudował pierwszą taką pelerynę niewidkę na przełomie wieków).

Ich apertura radarowa składa się z wąskiego paska drukowanych elektronicznych obwodów rezonansowych pracujących na częstotliwościach mikrofalowych. Każdy rezonator odbiera i nadaje na określonej częstotliwości, którą można zmieniać, dostrajając jego właściwości elektroniczne, tak jak tuner radiowy. Ogólny wzór promieniowania generowany przez ten otwór jest zatem superpozycją promieniowania z każdego pojedynczego promiennika, powiedzmy Sleasman i spółka.

Zespół nazywa tę antenę dynamiczną metapowierzchnią. Jest to o tyle istotne, że odpowiednio dostrajając każdy promiennik, zespół może precyzyjnie kontrolować wzór promieniowania. Daje to Sleasmanowi i spółce kontrolę nad kierunkiem wiązki, jej ogólnym kształtem oraz, w pewnych granicach, częstotliwością.

To daje im szeroki wachlarz imponujących umiejętności. Elastyczność oferowana przez dynamiczne metapowierzchnie może być wykorzystywana do sterowania wiązkami kierunkowymi w celu zwiększenia siły sygnału, tworzenia wartości zerowych we wzorcu w celu uniknięcia zacięć, sondowania dużego obszaru zainteresowania szeroką wiązką, a nawet sprawdzania wielu pozycji jednocześnie za pomocą zbioru wiązek , mówi grupa.

Samo w sobie jest to znaczący krok naprzód, ale Sleasman i spółka idą dalej, testując zupełnie nową formę radaru z syntetyczną aperturą. Dynamiczne metapowierzchnie umożliwiają Sleasmanowi i spółce wytworzenie serii impulsów, które całkowicie losowo zmieniają kierunek. Tak więc, gdy dynamiczna metapowierzchnia porusza się w przestrzeni, odbiera odbicia od tych przypadkowych wiązek.

Dużą zaletą tej techniki jest sposób przetwarzania tych sygnałów. Ponieważ zmieniają się losowo w kierunku, pokrywają znacznie większy obszar niż konwencjonalna wiązka, która jest skierowana tylko w jednym kierunku.

Za pomocą pojedynczej wiązki możliwe jest tworzenie obrazów o wysokiej rozdzielczości pojedynczego obiektu. Jednak dzięki serii losowych wiązek możliwe jest jednoczesne tworzenie obrazów o wysokiej rozdzielczości wielu obiektów. Możliwe jest nawet późniejsze ponowne przetworzenie danych, aby skoncentrować się na nowym temacie zainteresowania. W tym sensie apertura bada jednocześnie wiele części treści przestrzennej sceny i wielokrotnie bada każdą lokalizację, mówią Sleasman i spółka.

Główna część ich pracy polega na zbudowaniu tego urządzenia, a następnie scharakteryzowaniu jego działania. A wyniki są imponujące.

Zespół pokazuje, że nowa technika obrazowania daje obrazy równie dobre jak tradycyjne techniki apertury syntetycznej, ale z dodatkowymi korzyściami opisanymi powyżej. Co więcej, dynamiczna metapowierzchnia jest tak wszechstronna i łatwa do kontrolowania, że ​​można jej używać również w tradycyjny sposób. Pokazujemy wysokiej jakości obrazowanie zarówno w 2D, jak i 3D, mówią Sleasman i spółka.

To imponująca praca, która może mieć znaczące implikacje dla sposobu wykorzystania radaru z syntetyczną aperturą. Posiadanie lepszych technik obrazowania w wysokiej rozdzielczości jest oczywiście przydatne. Ale największą zaletą jest prawdopodobnie jego koszt. Dynamiczne metapowierzchnie można drukować masowo przy niskich kosztach.

To nagle czyni je potencjalnie użytecznymi w wielu różnych zastosowaniach. Jak ujął to Sleasman i współpracownicy: Dynamiczna apertura metapowierzchniowa może wnieść istotny wkład w całe pole wykrywania mikrofalowego.

Nr ref.: arxiv.org/abs/1703.00072 : Eksperymentalny radar z syntetyczną aperturą z dynamicznymi metapowierzchniami

ukryć