Kaip metamedžiagos iš naujo išranda 3-D radarų vaizdavimą

Sintetinės diafragmos radaras yra puiki vaizdo gavimo technika, kuri iš radaro atspindžių sukuria didelės raiškos 2-D ir 3D nuotraukas. Kadangi jis remiasi radijo ar mikrobangų krosnelėmis, o ne matoma šviesa, jis gali matyti per miglą, debesis ir kartais net sienas. Dėl šios priežasties tai tapo pagrindine Žemės aptikimo, saugumo patikros ir valstybės remiamo šnipinėjimo technika.

Tačiau yra problema. Sintetinės diafragmos radarų sistemos paprastai yra didelės, reikalaujančios energijos ir mechaniškai sudėtingos, kai turi jas nukreipiančius vairavimo mechanizmus. Visa tai juos taip pat brangina. Štai kodėl sintetinį diafragmos radarą daugiausia naudoja karinės ir vyriausybinės organizacijos, kurios gali tai sau leisti.

Taigi bet koks būdas padaryti šias sintetinės diafragmos radarų sistemas mažesnes, pigesnes ir efektyvesnes būtų labai reikšmingas.

Šiandien Timothy Sleasmanas iš Duke universiteto Durhame, Šiaurės Karolinoje, ir keli draugai pristato būtent tokią sistemą. Jų sintetinės apertūros radaras yra pagamintas iš egzotiškos naujos medžiagos, vadinamos metamedžiaga, todėl jis yra lankstesnis, efektyvesnis ir pigesnis nei bet kas anksčiau sukurtas, išlaikant tokią pačią vaizdo kokybę kaip ir tradicinės sintetinės diafragmos radarų sistemos.

Radaro sistemos sukuria vaizdus skleisdamos impulsines radijo bangas ir įrašydamos signalą, kuris atsispindi iš aplinkos. Šios technikos skiriamąją gebą riboja imtuvo dydis. Vienas iš būdų surinkti daugiau grįžtančių bangų yra naudoti atspindintį lėkštę, kurios paviršiaus plotas yra didesnis nei paprastos antenos. Tai padidina radaro skiriamąją gebą.

Tačiau šeštajame dešimtmetyje amerikiečių aviacijos ir kosmoso inžinieriai suprato, kad yra dar vienas būdas pagerinti signalų rinkimo procesą – judinant anteną, kol ji gauna.

Pagal šį scenarijų antena yra orlaivyje arba erdvėlaivyje. Jis skleidžia radijo impulsą, kuris pasklinda ir atsispindi nuo daugybės ant žemės esančių objektų. Atsispindėjęs signalas grįžta į anteną, kuri pajudėjo. Atstumas, kurį jis nukeliauja per šį laiką, efektyviai padidina priėmimo diafragmos dydį, taigi ir sistemos skiriamąją gebą.

Žinoma, reikalingas tam tikras galingas signalo apdorojimas, kad būtų galima suskaidyti signalą, kai jis grįžta, kad būtų sukurti 2-D ir 3-D vaizdai. Tačiau šiais laikais tai gana paprasta. Rezultatas yra sintetinės diafragmos radaras, kurio skiriamoji geba yra daug didesnė nei stacionari antena.

Nuo šeštojo dešimtmečio ši technika buvo gerokai patobulinta ir patobulinta. Pavyzdžiui, skiriamoji geba gali būti dar padidinta sukant siųstuvą, kai jis juda, nukreipiant jį į konkretų taikinį. Kitas pluošto fokusavimo būdas yra naudoti daugybę antenų, kurios sukuria impulsus, kurie trukdo taip, kad nukreiptų bendrą signalą tam tikra kryptimi.

Tačiau šie metodai reikalauja energijos, mechaniškai sudėtingi ir brangūs.

Įveskite Sleasman ir co bei jų metamedžiagą. Tai periodinė struktūra, sudaryta iš mažų elektroninių komponentų, kurių kiekvienas sąveikauja su elektromagnetiniu lauku. Kartu šie komponentai suteikia medžiagai egzotiškų tūrinių savybių, kurių kitu atveju gamtoje nėra.

Įvairios grupės sukūrė metamedžiagų, kurios keistais būdais išlenkia elektromagnetines bangas, įskaitant matomą šviesą. Jie netgi sukūrė nematomumo apsiaustus tokiu būdu. (Iš tiesų, šios komandos vadovas Davidas Smithas amžių sandūroje pastatė pirmą tokį nematomumo apsiaustą.)

Jų radaro diafragma susideda iš siauros juostos iš spausdintų elektroninių rezonansinių grandinių, veikiančių mikrobangų dažniais. Kiekvienas rezonatorius priima ir transliuoja tam tikru dažniu, kurį galima keisti derinant jo elektronines savybes, pavyzdžiui, radijo imtuvą. Taigi bendras šios apertūros sukuriamas spinduliuotės modelis yra kiekvieno atskiro radiatoriaus spinduliuotės superpozicija, sako Sleasman ir kt.

Komanda šią anteną vadina dinamine metapaviršiumi. Tai svarbu, nes tinkamai sureguliuodama kiekvieną radiatorių komanda gali tiksliai valdyti spinduliuotės modelį. Tai leidžia Sleasmanui ir bendrajam valdyti spindulio kryptį, bendrą jo formą ir tam tikrose ribose dažnį.

Tai suteikia jiems daugybę įspūdingų sugebėjimų. Dinaminių metapaviršių teikiamas lankstumas gali būti naudojamas nukreipiant direktyvinius pluoštus, kad būtų padidintas signalo stiprumas, sukuriant nulinius modelio taškus, kad būtų išvengta trukdžių, tirti didelę dominančią sritį plačiu pluoštu arba net apklausti kelias pozicijas vienu metu naudojant pluoštų rinkinį. “, – sako grupė.

Pats savaime tai yra reikšmingas žingsnis į priekį, tačiau Sleasmanas ir bendradarbiai žengia toliau, išbandydami visiškai naują sintetinės diafragmos radaro formą. Dinaminiai metapaviršiai leidžia Sleasman ir co sukurti impulsų, kurių kryptis visiškai atsitiktinai kinta, seriją. Taigi, dinaminiam metapaviršiui judant per erdvę, jis surenka atspindžius iš šių atsitiktinių spindulių.

Didelis šios technikos pranašumas yra tai, kaip šie signalai yra apdorojami. Kadangi jų kryptis kinta atsitiktinai, jie apima daug platesnį plotą nei įprastas spindulys, nukreiptas tik į vieną pusę.

Naudojant vieną spindulį galima sukurti didelės raiškos vieno objekto vaizdus. Tačiau naudojant atsitiktinių spindulių seriją galima vienu metu sukurti daugelio objektų didelės raiškos vaizdus. Vėliau netgi galima iš naujo apdoroti duomenis, kad būtų galima sutelkti dėmesį į naują dominančią temą. Šia prasme diafragma vienu metu tiria daugelį scenos erdvinio turinio dalių ir tiria kiekvieną vietą kelis kartus, sako Sleasmanas ir kt.

Pagrindinė jų darbo dalis yra šio įrenginio kūrimas ir jo veikimo charakterizavimas. O rezultatai įspūdingi.

Komanda rodo, kad naudojant naują vaizdo gavimo techniką gaunami vaizdai, kurie yra tokie pat geri kaip ir tradiciniai sintetinės diafragmos metodai, tačiau turi papildomų privalumų, aprašytų aukščiau. Be to, dinaminis metapaviršius yra toks universalus ir lengvai valdomas, kad jį galima naudoti ir tradiciniais būdais. Mes demonstruojame aukštos kokybės vaizdą tiek 2-D, tiek 3-D, sako Sleasman ir kt.

Tai įspūdingas darbas, galintis turėti didelės įtakos sintetinės diafragmos radaro naudojimui. Akivaizdu, kad naudinga turėti geresnius, didelės raiškos vaizdo gavimo metodus. Tačiau didžiausias privalumas tikriausiai yra jo kaina. Dinaminius metapaviršius galima masiškai spausdinti už mažą kainą.

Dėl to jie staiga tampa naudingi įvairioms programoms. Kaip sakė Sleasmanas ir bendradarbiai: dinaminė metapaviršiaus diafragma yra pasirengusi prisidėti prie visos mikrobangų jutimo srities.

Nuoroda: arxiv.org/abs/1703.00072 : eksperimentinis sintetinės apertūros radaras su dinaminiais metapaviršiais

paslėpti