Hoe metamaterialen 3D-radarbeeldvorming opnieuw uitvinden

Synthetische apertuurradar is een opmerkelijke beeldvormingstechniek die 2D- en 3D-beelden met hoge resolutie van radarreflecties produceert. Omdat het afhankelijk is van radio of microgolven in plaats van zichtbaar licht, kan het door nevel, wolken en soms zelfs muren kijken. Om die reden is het de go-to-techniek geworden voor aarddetectie, veiligheidsonderzoek en door de staat gesponsorde spionage.

Er is echter een probleem. Synthetische apertuurradarsystemen zijn meestal groot, energieverslindend en mechanisch complex als ze stuurmechanismen hebben om ze te richten. Dat alles maakt ze ook duur. Daarom wordt synthetische apertuurradar voornamelijk gebruikt door het soort leger en overheidsorganisaties die het zich kunnen veroorloven.

Dus elke manier om deze radarsystemen met synthetische apertuur kleiner, goedkoper en efficiënter te maken, zou enorm belangrijk zijn.

Vandaag onthullen Timothy Sleasman van de Duke University in Durham, North Carolina, en een paar vrienden zo'n systeem. Hun synthetische apertuurradar is gemaakt van een exotische nieuwe stof, een metamateriaal genaamd, waardoor het flexibeler, efficiënter en goedkoper is dan alles wat eerder is gebouwd, terwijl dezelfde beeldkwaliteit behouden blijft als traditionele synthetische apertuurradarsystemen.

Radarsystemen creëren beelden door een reeks gepulseerde radiogolven uit te zenden en vervolgens het signaal op te nemen dat door de omgeving wordt weerkaatst. De resolutie van deze techniek wordt beperkt door de grootte van de ontvanger. Een manier om meer van de terugkerende golven te verzamelen, is door een reflecterende schotel te gebruiken met een groter oppervlak dan een eenvoudige antenne. Dit verhoogt de resolutie van de radar.

Maar in de jaren vijftig realiseerden Amerikaanse lucht- en ruimtevaartingenieurs zich dat er een andere manier is om het proces van het verzamelen van signalen te verbeteren: door de antenne te verplaatsen terwijl deze wordt ontvangen.

In dit scenario bevindt de antenne zich aan boord van een vliegtuig of ruimtevaartuig. Het zendt een radiopuls uit die zich verspreidt en weerkaatst op een reeks objecten op de grond. Het gereflecteerde signaal keert terug naar de antenne, die is bewogen. De afstand die het gedurende deze tijd aflegt, vergroot effectief de grootte van de ontvangende opening en daarmee de resolutie van het systeem.

Natuurlijk moet er een krachtige signaalverwerking zijn om het signaal te crunchen wanneer het terugkeert om 2D- en 3D-beelden te maken. Maar dat is tegenwoordig relatief eenvoudig. Het resultaat is een synthetische apertuurradar met een veel hogere resolutie dan een stationaire antenne.

Sinds de jaren vijftig is deze techniek aanzienlijk verbeterd en verfijnd. De resolutie kan bijvoorbeeld verder worden verhoogd door de zender tijdens het bewegen op een cardanische manier te bewegen, zodat deze naar een specifiek doel wordt gericht. Een andere techniek voor bundelfocussering is het gebruik van een reeks antennes die allemaal pulsen produceren die interfereren op een manier die het algehele signaal in een specifieke richting wijst.

Maar deze technieken zijn energieverslindend, mechanisch complex en duur.

Voer Sleasman en co en hun metamateriaal in. Dit is een periodieke structuur gemaakt van kleine elektronische componenten die elk interageren met een elektromagnetisch veld. Samen geven deze componenten het materiaal exotische bulkeigenschappen die anders nooit in de natuur voorkomen.

Verschillende groepen hebben metamaterialen gebouwd die elektromagnetische golven, inclusief zichtbaar licht, op vreemde manieren buigen. Ze hebben op deze manier zelfs onzichtbaarheidsmantels gemaakt. (Inderdaad, de leider van dit team, David Smith, bouwde de eerste onzichtbaarheidsmantel zoals deze rond de eeuwwisseling.)

Hun radaropening bestaat uit een smalle strook van gedrukte elektronische resonantiecircuits die werken op microgolffrequenties. Elke resonator ontvangt en zendt uit op een specifieke frequentie, die kan worden gevarieerd door de elektronische eigenschappen ervan af te stemmen, zoals een radiotuner. Het totale stralingspatroon dat door deze opening wordt gegenereerd, is dus de superpositie van de straling van elke afzonderlijke straler, zeggen Sleasman en co.

Het team noemt deze antenne een dynamisch meta-oppervlak. Het is belangrijk, want door elke straler op de juiste manier af te stemmen, kan het team het stralingspatroon nauwkeurig regelen. Dit geeft Sleasman en co controle over de richting van de straal, de algemene vorm en, binnen bepaalde grenzen, de frequentie.

Dat geeft hen een breed scala aan indrukwekkende vaardigheden. De flexibiliteit die wordt geboden door dynamische meta-oppervlakken kan worden gebruikt om richtstralen te sturen voor verbeterde signaalsterkte, om nulls in het patroon te creëren om storing te voorkomen, om een ​​groot interessegebied af te tasten met een brede straal, of zelfs om meerdere posities tegelijk te ondervragen met een verzameling stralen , zegt de groep.

Op zich is dat een belangrijke stap voorwaarts, maar Sleasman en co gaan verder door een geheel nieuwe vorm van synthetische apertuurradar te testen. Dankzij dynamische meta-oppervlakken kunnen Sleasman en co een reeks pulsen produceren die volledig willekeurig in richting variëren. Dus terwijl het dynamische meta-oppervlak door de ruimte beweegt, pikt het de reflecties van deze willekeurige bundels op.

Het grote voordeel van deze techniek zit in de manier waarop deze signalen worden verwerkt. Omdat ze willekeurig in richting variëren, bestrijken ze een veel groter gebied dan een conventionele straal, die maar in één richting wijst.

Met een enkele straal is het mogelijk om afbeeldingen met een hoge resolutie van een enkel onderwerp te maken. Maar met een reeks willekeurige bundels is het mogelijk om van veel onderwerpen tegelijkertijd afbeeldingen met een hoge resolutie te maken. Het is zelfs mogelijk om de gegevens later opnieuw te verwerken om te focussen op een nieuw interessant onderwerp. In die zin tast het diafragma veel delen van de ruimtelijke inhoud van de scène tegelijkertijd af en onderzoekt elke locatie meerdere keren, zeggen Sleasman en co.

Het grootste deel van hun werk bestaat uit het bouwen van dit apparaat en het vervolgens karakteriseren van de prestaties. En de resultaten zijn indrukwekkend.

Het team laat zien dat de nieuwe beeldvormingstechniek beelden oplevert die net zo goed zijn als traditionele synthetische diafragmatechnieken, maar met de hierboven beschreven extra voordelen. Bovendien is het dynamische meta-oppervlak zo veelzijdig en gemakkelijk te besturen dat het ook op de traditionele manier kan worden gebruikt. We demonstreren hoogwaardige beeldvorming in zowel 2D als 3D, zeggen Sleasman en co.

Dat is indrukwekkend werk dat aanzienlijke gevolgen kan hebben voor de manier waarop synthetische apertuurradar wordt gebruikt. Het is duidelijk nuttig om betere beeldvormingstechnieken met een hoge resolutie te hebben. Maar het grootste voordeel zijn waarschijnlijk de kosten. Dynamische meta-oppervlakken kunnen tegen lage kosten massaal worden geprint.

Dat maakt ze ineens potentieel bruikbaar voor een breed scala aan toepassingen. Zoals Sleasman en co het zeggen: Dynamisch diafragma van het meta-oppervlak staat klaar om belangrijke bijdragen te leveren op het hele gebied van microgolfdetectie.

Referentie: arxiv.org/abs/1703.00072 : Experimentele synthetische apertuurradar met dynamische meta-oppervlakken

zich verstoppen