211service.com
Hvordan metamaterialer gjenoppfinner 3D-radaravbildning
Syntetisk blenderradar er en bemerkelsesverdig bildeteknikk som produserer høyoppløselige 2D- og 3D-bilder fra radarrefleksjoner. Fordi den er avhengig av radio eller mikrobølger i stedet for synlig lys, kan den se gjennom dis, skyer og noen ganger til og med vegger. Av den grunn har det blitt den beste teknikken for jordføling, sikkerhetskontroll og statsstøttet spionasje.
Det er imidlertid et problem. Syntetiske radarsystemer med blenderåpning har en tendens til å være store, strømkrevende og mekanisk komplekse når de har styremekanismer for å peke dem. Alt som gjør dem dyre også. Derfor brukes syntetisk blenderradar hovedsakelig av den typen militære og statlige organisasjoner som har råd til det.
Så enhver måte å gjøre disse radarsystemene med syntetisk blenderåpning mindre, billigere og mer effektive vil være enormt viktig.
I dag avslører Timothy Sleasman ved Duke University i Durham, North Carolina, og noen få venner nettopp et slikt system. Deres syntetiske blenderradar er bygget av et eksotisk nytt stoff som kalles et metamateriale, som gjør den mer fleksibel, mer effektiv og billigere enn noe som er bygget før – samtidig som den opprettholder samme bildekvalitet som tradisjonelle radarsystemer med syntetisk blenderåpning.
Radarsystemer lager bilder ved å sende ut en serie pulserende radiobølger og deretter registrere signalet som reflekteres fra omgivelsene. Oppløsningen til denne teknikken er begrenset av størrelsen på mottakeren. En måte å samle flere av de tilbakevendende bølgene på er å bruke en reflekterende skål med større overflate enn en enkel antenne. Dette øker oppløsningen til radaren.
Men på 1950-tallet innså amerikanske romfartsingeniører at det er en annen måte å forbedre prosessen med signalinnsamling på – ved å flytte antennen mens den mottar.
I dette scenariet er antennen om bord i et fly eller romfartøy. Den sender ut en radiopuls som sprer seg og reflekteres fra en rekke gjenstander på bakken. Det reflekterte signalet går tilbake til antennen, som har beveget seg. Avstanden den tilbakelegger i løpet av denne tiden øker effektivt størrelsen på mottakeråpningen og dermed oppløsningen til systemet.
Selvfølgelig må det være noe kraftig signalbehandling for å nummerknuse signalet når det kommer tilbake for å lage 2D- og 3D-bilder. Men dette er relativt enkelt i disse dager. Resultatet er en syntetisk blenderradar med mye høyere oppløsning enn en stasjonær antenne.
Siden 1950-tallet har denne teknikken blitt betydelig forbedret og finjustert. For eksempel kan oppløsningen økes ytterligere ved å gimballer senderen mens den beveger seg, for å peke den mot et spesifikt mål. En annen teknikk for strålefokusering er å bruke en rekke antenner som alle produserer pulser som forstyrrer på en måte som peker det totale signalet i en bestemt retning.
Men disse teknikkene er kraftkrevende, mekanisk komplekse og dyre.
Skriv inn Sleasman og co og deres metamateriale. Dette er en periodisk struktur laget av bittesmå elektroniske komponenter som hver samhandler med et elektromagnetisk felt. Sammen gir disse komponentene materialet eksotiske bulkegenskaper som ellers aldri finnes i naturen.
Ulike grupper har bygget metamaterialer som bøyer elektromagnetiske bølger, inkludert synlig lys, på merkelige måter. De har til og med bygget usynlighetskapper på denne måten. (Faktisk, lederen for dette teamet, David Smith, bygde den første usynlighetskappen som denne ved århundreskiftet.)
Deres radaråpning består av en smal stripe med trykte elektroniske resonanskretser som arbeider ved mikrobølgefrekvenser. Hver resonator mottar og sender på en bestemt frekvens, som kan varieres ved å stille inn dens elektroniske egenskaper, som en radiotuner. Det totale strålingsmønsteret som genereres av denne blenderåpningen er altså superposisjonen av strålingen fra hver enkelt radiator, sier Sleasman og co.
Teamet kaller denne antennen en dynamisk metaoverflate. Det er viktig fordi ved å justere hver radiator på riktig måte, kan teamet kontrollere strålingsmønsteret nøyaktig. Dette gir Sleasman og co kontroll over retningen til strålen, dens generelle form og, innenfor visse grenser, dens frekvens.
Det gir dem et bredt spekter av imponerende evner. Fleksibiliteten som tilbys av dynamiske metaoverflater kan brukes til å styre retningsstråler for forbedret signalstyrke, skape null i mønsteret for å unngå jamming, undersøke et stort område av interesse med en bred stråle, eller til og med spørre flere posisjoner samtidig med en samling av stråler , sier gruppen.
I seg selv er det et betydelig skritt fremover, men Sleasman og co går videre ved å teste en helt ny form for syntetisk blenderradar. Dynamiske metasurfaces lar Sleasman og co produsere en serie pulser som varierer i retning helt tilfeldig. Så når den dynamiske metaoverflaten beveger seg gjennom rommet, fanger den opp refleksjonene fra disse tilfeldige strålene.
Den store fordelen med denne teknikken er måten disse signalene behandles på. Fordi de varierer i retning tilfeldig, dekker de et mye bredere område enn en konvensjonell stråle, som peker i bare én retning.
Med en enkelt stråle er det mulig å lage høyoppløselige bilder av et enkelt motiv. Men med en serie tilfeldige stråler er det mulig å produsere høyoppløselige bilder av mange motiver samtidig. Det er til og med mulig å behandle dataene på nytt senere for å fokusere på et nytt emne av interesse. Slik sett undersøker blenderåpningen mange deler av scenens romlige innhold samtidig og undersøker hvert sted flere ganger, sier Sleasman og co.
Hoveddelen av arbeidet deres er å bygge denne enheten og deretter karakterisere ytelsen. Og resultatene er imponerende.
Teamet viser at den nye bildeteknikken produserer bilder som er like gode som tradisjonelle syntetiske blenderåpningsteknikker, men med de ekstra fordelene beskrevet ovenfor. Dessuten er den dynamiske metaoverflaten så allsidig og enkel å kontrollere at den også kan brukes på tradisjonelle måter. Vi demonstrerer bildebehandling av høy kvalitet i både 2D og 3D, sier Sleasman og co.
Det er imponerende arbeid som kan ha betydelige implikasjoner for måten syntetisk blenderradar brukes på. Å ha bedre, høyoppløselige bildeteknikker er åpenbart nyttig. Men den største fordelen er nok kostnadene. Dynamiske metasurflater kan skrives ut masse til lave kostnader.
Det gjør dem plutselig potensielt nyttige for et bredt spekter av bruksområder. Som Sleasman og co sa det: Dynamisk metasurface blenderåpning er klar til å gi viktige bidrag på tvers av hele feltet for mikrobølgesensor.
Ref: arxiv.org/abs/1703.00072 : Eksperimentell syntetisk blenderåpningsradar med dynamiske metasurfaces