Hvordan metamaterialer genopfinder 3D-radarbilleddannelse

Syntetisk blænderadar er en bemærkelsesværdig billedbehandlingsteknik, der producerer højopløselige 2D- og 3D-billeder fra radarrefleksioner. Fordi den er afhængig af radio eller mikrobølger i stedet for synligt lys, kan den se gennem dis, skyer og nogle gange endda vægge. Af den grund er det blevet go-to-teknikken til jordføling, sikkerhedsscreening og statssponsoreret spionage.

Der er dog et problem. Radarsystemer med syntetisk blænde har tendens til at være store, strømkrævende og mekanisk komplekse, når de har styremekanismer til at pege dem. Alt det gør dem også dyre. Derfor bruges syntetisk blænderadar hovedsageligt af den slags militære og statslige organisationer, der har råd til det.

Så enhver måde at gøre disse syntetiske blænderadarsystemer mindre, billigere og mere effektive ville være enormt betydningsfuld.



I dag afslører Timothy Sleasman ved Duke University i Durham, North Carolina, og et par venner netop sådan et system. Deres syntetiske blænderadar er bygget af et eksotisk nyt stof kaldet et metamateriale, hvilket gør det mere fleksibelt, mere effektivt og billigere end noget, der er bygget før – samtidig med at de bevarer den samme billedkvalitet som traditionelle syntetiske blænderadarsystemer.

Radarsystemer skaber billeder ved at udsende en række pulserende radiobølger og derefter optage det signal, der reflekteres fra omgivelserne. Opløsningen af ​​denne teknik er begrænset af modtagerens størrelse. En måde at samle flere af de tilbagevendende bølger på er at bruge en reflekterende skål med et større overfladeareal end en simpel antenne. Dette øger radarens opløsning.

Men i 1950'erne indså amerikanske rumfartsingeniører, at der er en anden måde at forbedre processen med signalindsamling - ved at flytte antennen, mens den modtager.

I dette scenarie er antennen om bord på et fly eller rumfartøj. Den udsender en radioimpuls, der spreder sig og reflekterer fra en række genstande på jorden. Det reflekterede signal vender tilbage til antennen, som har bevæget sig. Den afstand, den tilbagelægger i løbet af denne tid, øger effektivt størrelsen af ​​den modtagende blænde og dermed systemets opløsning.

Selvfølgelig skal der være noget kraftfuld signalbehandling for at nummerkryde signalet, når det vender tilbage for at skabe 2-D og 3-D billeder. Men dette er relativt ligetil i disse dage. Resultatet er en syntetisk blænderadar med en meget højere opløsning end en stationær antenne.

Siden 1950'erne er denne teknik blevet væsentligt forbedret og finjusteret. For eksempel kan opløsningen øges yderligere ved at gimballe senderen, mens den bevæger sig, for at pege den mod et specifikt mål. En anden teknik til strålefokusering er at bruge et array af antenner, der alle producerer impulser, der interfererer på en måde, der peger det samlede signal i en bestemt retning.

Men disse teknikker er strømkrævende, mekanisk komplekse og dyre.

Indtast Sleasman og co og deres metamateriale. Dette er en periodisk struktur lavet af bittesmå elektroniske komponenter, der hver interagerer med et elektromagnetisk felt. Sammen giver disse komponenter materialet eksotiske bulkegenskaber, som ellers aldrig findes i naturen.

Forskellige grupper har bygget metamaterialer, der bøjer elektromagnetiske bølger, inklusive synligt lys, på mærkelige måder. De har endda bygget usynlighedskapper på denne måde. (Faktisk, lederen af ​​dette team, David Smith, byggede den første usynlighedskappe som denne ved århundredeskiftet.)

Deres radaråbning består af en smal stribe af trykte elektroniske resonanskredsløb, der arbejder ved mikrobølgefrekvenser. Hver resonator modtager og udsender ved en bestemt frekvens, som kan varieres ved at indstille dens elektroniske egenskaber, som en radiotuner. Det overordnede strålingsmønster, der genereres af denne blænde, er således superpositionen af ​​strålingen fra hver enkelt radiator, siger Sleasman og co.

Holdet kalder denne antenne for en dynamisk metasurface. Det er vigtigt, fordi teamet ved at indstille hver radiator korrekt kan kontrollere strålingsmønsteret præcist. Dette giver Sleasman og co kontrol over strålens retning, dens overordnede form og, inden for visse grænser, dens frekvens.

Det giver dem en bred vifte af imponerende evner. Fleksibiliteten, der tilbydes af dynamiske metasurfaces, kan bruges til at styre retningsstråler for forbedret signalstyrke, skabe nuller i mønsteret for at undgå jamming, sondere et stort område af interesse med en bred stråle eller endda udspørge flere positioner på én gang med en samling af stråler , siger gruppen.

Det er i sig selv et væsentligt skridt fremad, men Sleasman og co går videre ved at teste en helt ny form for syntetisk blænderadar. Dynamiske metasurfaces giver Sleasman og co mulighed for at producere en række impulser, der varierer i retning helt tilfældigt. Så når den dynamiske metasflade bevæger sig gennem rummet, opfanger den refleksionerne fra disse tilfældige stråler.

Den store fordel ved denne teknik er den måde, disse signaler behandles på. Fordi de varierer i retning tilfældigt, dækker de et meget bredere område end en konventionel stråle, som kun peger i én retning.

Med en enkelt stråle er det muligt at skabe billeder i høj opløsning af et enkelt motiv. Men med en række tilfældige stråler er det muligt at producere billeder i høj opløsning af mange motiver på samme tid. Det er endda muligt at genbehandle dataene senere for at fokusere på et nyt emne af interesse. I denne forstand sonderer blænden mange dele af scenens rumlige indhold samtidigt og undersøger hvert sted flere gange, siger Sleasman og co.

Hoveddelen af ​​deres arbejde er at bygge denne enhed og derefter karakterisere dens ydeevne. Og resultaterne er imponerende.

Holdet viser, at den nye billedbehandlingsteknik producerer billeder, der er lige så gode som traditionelle syntetiske blændeteknikker, men med de ekstra fordele, der er beskrevet ovenfor. Hvad mere er, er den dynamiske metasurface så alsidig og nem at kontrollere, at den også kan bruges på de traditionelle måder. Vi demonstrerer billedbehandling af høj kvalitet i både 2-D og 3-D, siger Sleasman og co.

Det er imponerende arbejde, der kan have betydelige konsekvenser for den måde, syntetisk blænderadar bruges på. At have bedre billedbehandlingsteknikker i høj opløsning er naturligvis nyttigt. Men den største fordel er nok dens omkostninger. Dynamiske metasurfaces kan printes i massevis til lave omkostninger.

Det gør dem pludselig potentielt nyttige til en bred vifte af applikationer. Som Sleasman og co udtrykte det: Dynamisk metasurface-blænde er klar til at yde vigtige bidrag på tværs af hele området for mikrobølgeføling.

Ref: arxiv.org/abs/1703.00072 : Eksperimentel syntetisk blænderadar med dynamiske metasurfaces

skjule