Kā metamateriāli no jauna izgudro 3-D radaru attēlveidošanu

Sintētiskais apertūras radars ir ievērojams attēlveidošanas paņēmiens, kas rada augstas izšķirtspējas 2-D un 3-D attēlus no radara atstarojumiem. Tā kā tas paļaujas uz radio vai mikroviļņiem, nevis redzamo gaismu, tas var redzēt cauri dūmakai, mākoņiem un dažreiz pat sienām. Šī iemesla dēļ tā ir kļuvusi par vispopulārāko paņēmienu Zemes noteikšanai, drošības pārbaudei un valsts sponsorētai spiegošanai.

Tomēr pastāv problēma. Sintētiskās apertūras radaru sistēmas mēdz būt lielas, izsalkušas un mehāniski sarežģītas, ja tām ir stūres mehānismi, kas tās novirza. Tas viss arī padara tos dārgus. Tāpēc sintētisko apertūras radaru galvenokārt izmanto militārās un valdības organizācijas, kas to var atļauties.

Tāpēc jebkurš veids, kā padarīt šīs sintētiskās apertūras radaru sistēmas mazākas, lētākas un efektīvākas, būtu ļoti nozīmīgs.

Šodien Timotijs Slīsmens no Djūka universitātes Durhamā, Ziemeļkarolīnā, un daži draugi atklāj tieši šādu sistēmu. Viņu sintētiskās apertūras radars ir izgatavots no jaunas eksotiskas vielas, ko sauc par metamateriālu, kas padara to elastīgāku, efektīvāku un lētāku nekā jebkas, kas tika būvēts iepriekš, vienlaikus saglabājot tādu pašu attēla kvalitāti kā tradicionālās sintētiskās apertūras radaru sistēmas.

Radara sistēmas rada attēlus, izstarojot virkni impulsu radioviļņu un pēc tam ierakstot signālu, kas tiek atstarots no vides. Šīs tehnikas izšķirtspēju ierobežo uztvērēja izmērs. Viens veids, kā savākt vairāk atgriezušos viļņu, ir izmantot atstarojošu šķīvi ar lielāku virsmas laukumu nekā vienkāršai antenai. Tas palielina radara izšķirtspēju.

Bet 1950. gados amerikāņu aviācijas un kosmosa inženieri saprata, ka ir vēl viens veids, kā uzlabot signālu savākšanas procesu — pārvietojot antenu, kamēr tā saņem.

Šajā scenārijā antena atrodas uz lidmašīnas vai kosmosa kuģa. Tas izstaro radio impulsu, kas izplatās un atstaro dažādus objektus uz zemes. Atspoguļotais signāls atgriežas antenā, kas ir izkustējusies. Attālums, ko tas veic šajā laikā, efektīvi palielina uztveršanas apertūras izmēru un līdz ar to arī sistēmas izšķirtspēju.

Protams, ir nepieciešama jaudīga signāla apstrāde, lai numerētu signālu, kad tas atgriežas, lai izveidotu 2-D un 3-D attēlus. Bet mūsdienās tas ir samērā vienkārši. Rezultāts ir sintētiskais apertūras radars ar daudz augstāku izšķirtspēju nekā stacionārai antenai.

Kopš pagājušā gadsimta piecdesmitajiem gadiem šī tehnika ir ievērojami uzlabota un precizēta. Piemēram, izšķirtspēju var vēl vairāk palielināt, pagriežot raidītāju, kad tas kustas, lai novirzītu to uz noteiktu mērķi. Vēl viens staru kūļa fokusēšanas paņēmiens ir izmantot antenu masīvu, kas visas rada impulsus, kas traucē tādā veidā, kas norāda kopējo signālu noteiktā virzienā.

Taču šīs metodes ir enerģijas izsalkušas, mehāniski sarežģītas un dārgas.

Ievadiet Sleasman un co un viņu metamateriālu. Šī ir periodiska struktūra, kas izgatavota no sīkiem elektroniskiem komponentiem, kas katrs mijiedarbojas ar elektromagnētisko lauku. Kopā šie komponenti piešķir materiālam eksotiskas tilpuma īpašības, kas citādi nekad nav sastopamas dabā.

Dažādas grupas ir izveidojušas metamateriālus, kas dīvainā veidā saliec elektromagnētiskos viļņus, tostarp redzamo gaismu. Viņi pat ir izveidojuši neredzamības apmetņus šādā veidā. (Patiešām, šīs komandas vadītājs Deivids Smits gadsimtu mijā uzbūvēja pirmo tādu neredzamības apmetni.)

Viņu radara apertūra sastāv no šauras drukātu elektronisku rezonējošo shēmu joslas, kas darbojas mikroviļņu frekvencēs. Katrs rezonators uztver un pārraida noteiktā frekvencē, kuru var mainīt, noregulējot tā elektroniskās īpašības, piemēram, radio uztvērēju. Tādējādi kopējais radiācijas modelis, ko rada šī diafragma, ir katra atsevišķa radiatora starojuma superpozīcija, saka Sleasman un citi.

Komanda šo antenu sauc par dinamisku metavirsmu. Tas ir svarīgi, jo, atbilstoši noregulējot katru radiatoru, komanda var precīzi kontrolēt starojuma modeli. Tas ļauj Sleasman un co kontrolēt staru kūļa virzienu, tā vispārējo formu un noteiktās robežās arī tā frekvenci.

Tas viņiem sniedz plašu iespaidīgu spēju klāstu. Dinamisko metavirsmu piedāvāto elastību var izmantot, lai vadītu direktīvu starus, lai uzlabotu signāla stiprumu, radītu nulles shēmā, lai izvairītos no traucēšanas, zondētu lielu interesējošo apgabalu ar platu staru kūli vai pat iztaujātu vairākas pozīcijas vienlaikus ar staru kolekciju. , saka grupa.

Pats par sevi tas ir nozīmīgs solis uz priekšu, taču Slīsmens un citi iet tālāk, izmēģinot pilnīgi jaunu sintētiskās apertūras radara veidu. Dinamiskās metavirsmas ļauj Sleasman un co radīt virkni impulsu, kuru virziens mainās pilnīgi nejauši. Tātad, dinamiskajai metavirsmai pārvietojoties pa telpu, tā uztver atspulgus no šiem nejaušajiem stariem.

Šīs tehnikas lielā priekšrocība ir veids, kā šie signāli tiek apstrādāti. Tā kā to virziens nejauši mainās, tie aptver daudz plašāku laukumu nekā parastais stars, kas rāda tikai vienā virzienā.

Izmantojot vienu staru, ir iespējams izveidot augstas izšķirtspējas attēlus no viena objekta. Taču, izmantojot virkni nejaušu staru, ir iespējams vienlaikus radīt daudzu objektu augstas izšķirtspējas attēlus. Vēlāk ir pat iespējams atkārtoti apstrādāt datus, lai koncentrētos uz jaunu interesējošo tēmu. Šajā ziņā diafragmas atvērums vienlaikus pārbauda daudzas ainas telpiskā satura daļas un vairākas reizes pēta katru vietu, saka Sleasman un citi.

Galvenā viņu darba daļa ir šīs ierīces izveide un pēc tam tās veiktspējas raksturošana. Un rezultāti ir iespaidīgi.

Komanda parāda, ka jaunā attēlveidošanas tehnika rada attēlus, kas ir tikpat labi kā tradicionālās sintētiskās apertūras metodes, taču ar iepriekš aprakstītajām papildu priekšrocībām. Turklāt dinamiskā metavirsma ir tik daudzpusīga un viegli vadāma, ka to var izmantot arī tradicionālajos veidos. Mēs demonstrējam augstas kvalitātes attēlu gan 2-D, gan 3-D, saka Sleasman un co.

Tas ir iespaidīgs darbs, kas varētu būtiski ietekmēt veidu, kā tiek izmantots sintētiskais diafragmas radars. Acīmredzami noderīgas ir labākas augstas izšķirtspējas attēlveidošanas metodes. Bet lielākā priekšrocība, iespējams, ir tā izmaksas. Dinamiskās metavirsmas var masveidā izdrukāt par zemām izmaksām.

Tas pēkšņi padara tos potenciāli noderīgus plašam lietojumu klāstam. Kā izteicās Slīsmens un kolēģi: dinamiskā metavirsmas apertūra ir gatava sniegt nozīmīgu ieguldījumu visā mikroviļņu sensoru jomā.

Atsauce: arxiv.org/abs/1703.00072 : Eksperimentāls sintētiskās apertūras radars ar dinamiskām metavirsmām

paslēpties