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Wie Metamaterialien die 3D-Radarbildgebung neu erfinden
Radar mit synthetischer Apertur ist eine bemerkenswerte Abbildungstechnik, die hochauflösende 2-D- und 3-D-Bilder aus Radarreflexionen erzeugt. Da es auf Radio oder Mikrowellen statt auf sichtbares Licht angewiesen ist, kann es durch Dunst, Wolken und manchmal sogar Wände sehen. Aus diesem Grund ist es zur Technik der Wahl für Erdbeobachtung, Sicherheitsüberprüfung und staatlich geförderte Spionage geworden.
Es gibt jedoch ein Problem. Radarsysteme mit synthetischer Apertur neigen dazu, groß, leistungshungrig und mechanisch komplex zu sein, wenn sie Lenkmechanismen haben, um sie auszurichten. All das macht sie auch teuer. Aus diesem Grund wird das Radar mit synthetischer Apertur hauptsächlich von Militär- und Regierungsorganisationen verwendet, die es sich leisten können.
Daher wäre jede Möglichkeit, diese Radarsysteme mit synthetischer Apertur kleiner, billiger und effizienter zu machen, von enormer Bedeutung.
Heute enthüllen Timothy Sleasman von der Duke University in Durham, North Carolina, und ein paar Freunde genau ein solches System. Ihr Radar mit synthetischer Apertur besteht aus einer exotischen neuen Substanz namens Metamaterial, die es flexibler, effizienter und billiger macht als alles, was zuvor gebaut wurde – und gleichzeitig die gleiche Bildqualität wie herkömmliche Radarsysteme mit synthetischer Apertur beibehält.
Radarsysteme erzeugen Bilder, indem sie eine Reihe gepulster Funkwellen aussenden und dann das von der Umgebung reflektierte Signal aufzeichnen. Die Auflösung dieser Technik ist durch die Größe des Empfängers begrenzt. Eine Möglichkeit, mehr der zurückkehrenden Wellen zu sammeln, besteht darin, eine reflektierende Schüssel mit einer größeren Oberfläche als eine einfache Antenne zu verwenden. Dies erhöht die Auflösung des Radars.
Aber in den 1950er Jahren erkannten amerikanische Luft- und Raumfahrtingenieure, dass es einen anderen Weg gibt, den Prozess der Signalerfassung zu verbessern – durch Bewegen der Antenne während des Empfangs.
In diesem Szenario befindet sich die Antenne an Bord eines Luft- oder Raumfahrzeugs. Es sendet einen Funkimpuls aus, der sich ausbreitet und von einer Reihe von Objekten auf dem Boden reflektiert wird. Das reflektierte Signal kehrt zur Antenne zurück, die sich bewegt hat. Die Strecke, die es während dieser Zeit zurücklegt, erhöht effektiv die Größe der Empfangsöffnung und damit die Auflösung des Systems.
Natürlich ist eine leistungsstarke Signalverarbeitung erforderlich, um das Signal bei der Rückkehr zu zerkleinern, um 2-D- und 3-D-Bilder zu erstellen. Aber das ist heutzutage relativ einfach. Das Ergebnis ist ein Radar mit synthetischer Apertur mit einer viel höheren Auflösung als eine stationäre Antenne.
Seit den 1950er Jahren wurde diese Technik erheblich verbessert und verfeinert. Beispielsweise kann die Auflösung weiter erhöht werden, indem der Sender während seiner Bewegung kardanisch aufgehängt wird, um ihn auf ein bestimmtes Ziel zu richten. Eine andere Technik zur Strahlfokussierung besteht darin, eine Reihe von Antennen zu verwenden, die alle Impulse erzeugen, die so interferieren, dass das Gesamtsignal in eine bestimmte Richtung zeigt.
Aber diese Techniken sind leistungshungrig, mechanisch komplex und teuer.
Geben Sie Sleasman und Co und ihr Metamaterial ein. Dies ist eine periodische Struktur aus winzigen elektronischen Komponenten, die jeweils mit einem elektromagnetischen Feld interagieren. Zusammen verleihen diese Komponenten dem Material exotische Volumeneigenschaften, die sonst nie in der Natur zu finden sind.
Verschiedene Gruppen haben Metamaterialien gebaut, die elektromagnetische Wellen, einschließlich sichtbarem Licht, auf seltsame Weise biegen. Sie haben sogar Unsichtbarkeitsumhänge auf diese Weise gebaut. (Tatsächlich baute der Anführer dieses Teams, David Smith, um die Jahrhundertwende den ersten Unsichtbarkeitsumhang wie diesen.)
Ihre Radarapertur besteht aus einem schmalen Streifen gedruckter elektronischer Schwingkreise, die mit Mikrowellenfrequenzen arbeiten. Jeder Resonator empfängt und sendet auf einer bestimmten Frequenz, die durch Einstellen seiner elektronischen Eigenschaften wie bei einem Radiotuner variiert werden kann. Das von dieser Apertur erzeugte Gesamtstrahlungsmuster ist somit die Überlagerung der Strahlung von jedem einzelnen Strahler, sagen Sleasman und Co.
Das Team nennt diese Antenne eine dynamische Metaoberfläche. Dies ist von Bedeutung, da das Team durch die entsprechende Abstimmung jedes Strahlers das Strahlungsmuster genau steuern kann. Dies gibt Sleasman und Co. die Kontrolle über die Richtung des Strahls, seine Gesamtform und, innerhalb bestimmter Grenzen, seine Frequenz.
Das gibt ihnen eine breite Palette beeindruckender Fähigkeiten. Die Flexibilität, die dynamische Metaoberflächen bieten, kann verwendet werden, um Richtstrahlen für eine verbesserte Signalstärke zu steuern, Nullstellen im Muster zu erstellen, um Störungen zu vermeiden, einen großen interessierenden Bereich mit einem breiten Strahl zu sondieren oder sogar mehrere Positionen gleichzeitig mit einer Sammlung von Strahlen abzufragen , sagt die Gruppe.
Das ist an sich schon ein bedeutender Schritt nach vorne, aber Sleasman und Co. gehen noch weiter, indem sie eine völlig neue Form von Radar mit synthetischer Apertur testen. Dynamische Metaoberflächen ermöglichen es Sleasman und Co, eine Reihe von Impulsen zu erzeugen, deren Richtung völlig zufällig variiert. Wenn sich also die dynamische Metaoberfläche durch den Raum bewegt, nimmt sie die Reflexionen dieser zufälligen Strahlen auf.
Der große Vorteil dieser Technik liegt in der Art und Weise, wie diese Signale verarbeitet werden. Da sie zufällig in der Richtung variieren, decken sie einen viel größeren Bereich ab als ein herkömmlicher Strahl, der nur in eine Richtung zeigt.
Mit einem einzigen Strahl ist es möglich, hochauflösende Bilder eines einzelnen Objekts zu erstellen. Aber mit einer Reihe zufälliger Strahlen ist es möglich, hochauflösende Bilder von vielen Motiven gleichzeitig zu erzeugen. Es ist sogar möglich, die Daten später erneut zu verarbeiten, um sich auf ein neues Interessensgebiet zu konzentrieren. In diesem Sinne untersucht die Blende viele Teile des räumlichen Inhalts der Szene gleichzeitig und untersucht jeden Ort mehrfach, sagen Sleasman und Co.
Der Hauptteil ihrer Arbeit besteht darin, dieses Gerät zu bauen und dann seine Leistung zu charakterisieren. Und die Ergebnisse sind beeindruckend.
Das Team zeigt, dass die neue Bildgebungstechnik Bilder erzeugt, die genauso gut sind wie herkömmliche Techniken mit synthetischer Apertur, jedoch mit den oben beschriebenen zusätzlichen Vorteilen. Darüber hinaus ist die dynamische Metaoberfläche so vielseitig und einfach zu steuern, dass sie auch auf herkömmliche Weise verwendet werden kann. Wir demonstrieren hochwertige Bildgebung sowohl in 2-D als auch in 3-D, sagen Sleasman und Co.
Das ist eine beeindruckende Arbeit, die erhebliche Auswirkungen auf die Art und Weise haben könnte, wie Radar mit synthetischer Apertur verwendet wird. Es ist offensichtlich nützlich, über bessere, hochauflösende Bildgebungstechniken zu verfügen. Aber der größte Vorteil sind wahrscheinlich die Kosten. Dynamische Metaoberflächen können massenweise kostengünstig gedruckt werden.
Das macht sie plötzlich für eine Vielzahl von Anwendungen potenziell nützlich. Wie Sleasman und Kollegen es ausdrückten: Die dynamische Metaoberflächenapertur ist bereit, wichtige Beiträge auf dem gesamten Gebiet der Mikrowellensensorik zu leisten.
Ref: arxiv.org/abs/1703.00072 : Experimentelles Synthetic Aperture Radar mit dynamischen Metaoberflächen