211service.com
Hur metamaterial återuppfinner 3D-radaravbildning
Syntetisk bländarradar är en anmärkningsvärd bildteknik som producerar högupplösta 2D- och 3D-bilder från radarreflektioner. Eftersom den förlitar sig på radio eller mikrovågor snarare än synligt ljus, kan den se genom dis, moln och ibland även väggar. Av den anledningen har det blivit den bästa tekniken för jordavkänning, säkerhetskontroll och statssponsrad spionage.
Det finns dock ett problem. Radarsystem med syntetisk bländaröppning tenderar att vara stora, kraftkrävande och mekaniskt komplexa när de har styrmekanismer för att rikta dem. Allt som gör dem dyra också. Det är därför syntetisk bländarradar används främst av den typ av militära och statliga organisationer som har råd med det.
Så varje sätt att göra dessa radarsystem med syntetisk bländaröppning mindre, billigare och effektivare skulle vara enormt betydelsefullt.
Idag avslöjar Timothy Sleasman vid Duke University i Durham, North Carolina, och några kompisar just ett sådant system. Deras syntetiska bländarradar är byggd av ett exotiskt nytt ämne som kallas ett metamaterial, vilket gör det mer flexibelt, effektivare och billigare än något som byggts tidigare - samtidigt som den bibehåller samma bildkvalitet som traditionella syntetiska bländarradarsystem.
Radarsystem skapar bilder genom att sända ut en serie pulsade radiovågor och sedan registrera signalen som reflekteras från omgivningen. Upplösningen för denna teknik är begränsad av storleken på mottagaren. Ett sätt att samla fler av de återkommande vågorna är att använda en reflekterande skål med större yta än en enkel antenn. Detta ökar upplösningen på radarn.
Men på 1950-talet insåg amerikanska flygingenjörer att det finns ett annat sätt att förbättra processen för signalinsamling - genom att flytta antennen medan den tar emot.
I detta scenario är antennen ombord på ett flygplan eller rymdfarkost. Den avger en radiopuls som sprider sig och reflekteras från en rad föremål på marken. Den reflekterade signalen går tillbaka till antennen som har rört sig. Avståndet den färdas under denna tid ökar effektivt storleken på den mottagande bländaren och därmed systemets upplösning.
Naturligtvis måste det finnas en del kraftfull signalbehandling för att numerera signalen när den kommer tillbaka för att skapa 2D- och 3D-bilder. Men detta är relativt enkelt nuförtiden. Resultatet är en syntetisk bländarradar med mycket högre upplösning än en stationär antenn.
Sedan 1950-talet har denna teknik förbättrats och finjusterats avsevärt. Till exempel kan upplösningen ökas ytterligare genom att gimballa sändaren när den rör sig, för att rikta den mot ett specifikt mål. En annan teknik för strålfokusering är att använda en uppsättning antenner som alla producerar pulser som stör på ett sätt som pekar den övergripande signalen i en specifik riktning.
Men dessa tekniker är energikrävande, mekaniskt komplexa och dyra.
Ange Sleasman och co och deras metamaterial. Detta är en periodisk struktur gjord av små elektroniska komponenter som var och en interagerar med ett elektromagnetiskt fält. Tillsammans ger dessa komponenter materialet exotiska bulkegenskaper som annars aldrig finns i naturen.
Olika grupper har byggt metamaterial som böjer elektromagnetiska vågor, inklusive synligt ljus, på konstiga sätt. De har till och med byggt osynlighetskappor på det här sättet. (Ja, ledaren för detta team, David Smith, byggde den första osynlighetsmanteln så här vid sekelskiftet.)
Deras radaröppning består av en smal remsa av tryckta elektroniska resonanskretsar som arbetar vid mikrovågsfrekvenser. Varje resonator tar emot och sänder vid en specifik frekvens, som kan varieras genom att ställa in dess elektroniska egenskaper, som en radiotuner. Det övergripande strålningsmönstret som genereras av denna bländare är alltså superpositionen av strålningen från varje enskild radiator, säger Sleasman och co.
Teamet kallar denna antenn för en dynamisk metayta. Det är viktigt eftersom teamet kan kontrollera strålningsmönstret exakt genom att justera varje radiator på lämpligt sätt. Detta ger Sleasman och co kontroll över strålens riktning, dess övergripande form och, inom vissa gränser, dess frekvens.
Det ger dem ett brett utbud av imponerande förmågor. Flexibiliteten som erbjuds av dynamiska metasytor kan användas för att styra riktstrålar för ökad signalstyrka, skapa nollor i mönstret för att undvika störning, undersöka ett stort område av intresse med en bred stråle, eller till och med förhöra flera positioner samtidigt med en samling strålar , säger gruppen.
Det är i sig ett viktigt steg framåt men Sleasman och co går längre genom att testa en helt ny form av syntetisk bländarradar. Dynamiska metasytor tillåter Sleasman och co att producera en serie pulser som varierar i riktning helt slumpmässigt. Så när den dynamiska metaytan rör sig genom rymden, plockar den upp reflektionerna från dessa slumpmässiga strålar.
Den stora fördelen med denna teknik är hur dessa signaler behandlas. Eftersom de varierar i riktning slumpmässigt täcker de ett mycket bredare område än en konventionell stråle, som pekar i bara en riktning.
Med en enda stråle är det möjligt att skapa högupplösta bilder av ett enda motiv. Men med en serie slumpmässiga strålar är det möjligt att producera högupplösta bilder av många motiv samtidigt. Det är till och med möjligt att bearbeta uppgifterna senare för att fokusera på ett nytt ämne av intresse. I denna mening undersöker bländaren många delar av scenens rumsliga innehåll samtidigt och undersöker varje plats flera gånger, säger Sleasman och co.
Huvuddelen av deras arbete är att bygga den här enheten och sedan karakterisera dess prestanda. Och resultaten är imponerande.
Teamet visar att den nya bildtekniken ger bilder som är lika bra som traditionella syntetiska bländartekniker, men med de extra fördelarna som beskrivs ovan. Dessutom är den dynamiska metaytan så mångsidig och lätt att kontrollera att den också kan användas på traditionella sätt. Vi demonstrerar högkvalitativ bildbehandling i både 2-D och 3-D, säger Sleasman och co.
Det är imponerande arbete som kan ha betydande konsekvenser för hur syntetisk bländarradar används. Att ha bättre, högupplösta bildtekniker är uppenbarligen användbart. Men den största fördelen är förmodligen dess kostnad. Dynamiska metasytor kan skrivas ut massvis till låg kostnad.
Det gör dem plötsligt potentiellt användbara för ett brett spektrum av applikationer. Som Sleasman och co uttryckte det: Dynamisk metasyteöppning är redo att ge viktiga bidrag inom hela området för mikrovågsavkänning.
Ref: arxiv.org/abs/1703.00072 : Experimentell syntetisk bländarradar med dynamiska metasytor