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メタマテリアルが3Dレーダーイメージングをどのように再発明しているか
合成開口レーダーは、レーダーの反射から高解像度の2Dおよび3D画像を生成する優れた画像技術です。可視光ではなくラジオやマイクロ波に依存しているため、もや、雲、場合によっては壁を通してさえも見ることができます。そのため、地球の検知、セキュリティスクリーニング、および国が後援するスパイの頼りになる手法になっています。
ただし、問題があります。合成開口レーダーシステムは、それらを指すステアリングメカニズムを備えている場合、大きく、電力を消費し、機械的に複雑になる傾向があります。それらすべても高価になります。そのため、合成開口レーダーは、主にそれを購入できる種類の軍や政府機関によって使用されています。
したがって、これらの合成開口レーダーシステムをより小さく、より安く、より効率的にする方法は非常に重要です。
今日、ノースカロライナ州ダーラムにあるデューク大学のティモシー・スリーズマンと数人の仲間がまさにそのようなシステムを発表しました。彼らの合成開口レーダーは、メタマテリアルと呼ばれるエキゾチックな新しい物質から構築されています。これにより、従来の合成開口レーダーシステムと同じ画質を維持しながら、以前に構築されたものよりも柔軟で効率的、かつ安価になります。
レーダーシステムは、一連のパルス電波を放射し、環境から反射された信号を記録することによって画像を作成します。この手法の解像度は、レシーバーのサイズによって制限されます。より多くの戻り波を集める1つの方法は、単純なアンテナよりも表面積が大きい反射皿を使用することです。これにより、レーダーの解像度が向上します。
しかし、1950年代に、アメリカの航空宇宙エンジニアは、受信中にアンテナを動かすことによって、信号収集のプロセスを改善する別の方法があることに気づきました。
このシナリオでは、アンテナは航空機または宇宙船に搭載されています。それは、地上のさまざまな物体に広がり反射する無線パルスを放射します。反射信号は、移動したアンテナに戻ります。この間に移動する距離により、受信開口のサイズが効果的に増加し、システムの解像度が向上します。
もちろん、2Dおよび3D画像を作成するために信号が戻ったときに、信号を数値処理するための強力な信号処理が必要です。しかし、これは最近では比較的簡単です。その結果、固定アンテナよりもはるかに高い分解能の合成開口レーダーが実現します。
1950年代以降、この手法は大幅に改善され、微調整されてきました。たとえば、送信機が移動するときにジンバルを使って特定のターゲットに向けることで、解像度をさらに上げることができます。ビーム集束の別の手法は、信号全体を特定の方向に向ける方法で干渉するパルスをすべて生成するアンテナのアレイを使用することです。
しかし、これらの手法は電力を大量に消費し、機械的に複雑で、高価です。
Sleasman andcoとそのメタマテリアルを入力してください。これは、それぞれが電磁場と相互作用する小さな電子部品から作られた周期構造です。これらのコンポーネントを組み合わせることで、自然界では決して見られないエキゾチックなバルク特性が材料にもたらされます。
さまざまなグループが、可視光を含む電磁波を奇妙な方法で曲げるメタマテリアルを構築しています。彼らはこの方法で不可視のマントさえ作りました。 （実際、このチームのリーダーであるDavid Smithは、世紀の変わり目にこのような最初の不可視のマントを作成しました。）
彼らのレーダー開口部は、マイクロ波周波数で動作する印刷された電子共振回路の狭いストリップで構成されています。各共振器は特定の周波数で受信およびブロードキャストします。特定の周波数は、ラジオチューナーのように、その電子特性を調整することで変更できます。したがって、この開口部によって生成される全体的な放射パターンは、各単一のラジエーターからの放射の重ね合わせです、とSleasmanと共同。
チームはこのアンテナを動的メタサーフェスと呼んでいます。各ラジエーターを適切に調整することにより、チームは放射のパターンを正確に制御できるため、これは重要です。これにより、Sleasmanと共同で、ビームの方向、全体的な形状、および特定の制限内での周波数を制御できます。
それは彼らに幅広い印象的な能力を与えます。動的メタサーフェスによって提供される柔軟性を使用して、信号強度を強化するために指向性ビームを操作したり、ジャミングを回避するためにパターンにヌルを作成したり、広いビームで大きな関心領域をプローブしたり、ビームのコレクションで一度に複数の位置を調べたりすることができます。 、グループは言います。
それ自体は重要な前進ですが、Sleasmanと共同研究者は、まったく新しい形式の合成開口レーダーをテストすることでさらに進んでいます。動的メタサーフェスにより、Sleasmanとcoは、方向が完全にランダムに変化する一連のパルスを生成できます。したがって、動的メタサーフェスが空間を移動すると、これらのランダムビームからの反射をピックアップします。
この手法の大きな利点は、これらの信号の処理方法にあります。それらはランダムに方向が変化するため、一方向のみを指す従来のビームよりもはるかに広い領域をカバーします。
単一のビームで、単一の被写体の高解像度画像を作成することが可能です。しかし、一連のランダムビームを使用すると、同時に多くの被写体の高解像度画像を生成することが可能です。後でデータを再処理して、関心のある新しい主題に焦点を当てることも可能です。この意味で、アパーチャはシーンの空間コンテンツの多くの部分を同時にプローブし、各場所を複数回調査します、とSleasmanと共同で言います。
彼らの仕事の主な部分は、このデバイスを構築し、そのパフォーマンスを特徴づけることです。そして、その結果は印象的です。
チームは、新しいイメージング技術が従来の合成開口技術と同じくらい優れているが、上記の追加の利点を備えた画像を生成することを示しています。さらに、動的メタサーフェスは非常に用途が広く、制御が容易であるため、従来の方法でも使用できます。 Sleasmanと共同で、2Dと3Dの両方で高品質のイメージングを実証します。
これは、合成開口レーダーの使用方法に大きな影響を与える可能性のある印象的な作業です。より優れた高解像度の画像技術を持つことは明らかに有用です。しかし、最大の利点はおそらくそのコストです。動的メタサーフェスは、低コストでまとめて印刷できます。
そのため、突然、さまざまなアプリケーションに役立つ可能性があります。 Sleasmanと共同で述べたように、動的メタサーフェスアパーチャは、マイクロ波センシングの全分野にわたって重要な貢献をする準備ができています。
参照： arxiv.org/abs/1703.00072 ：動的メタサーフェスを備えた実験用合成開口レーダー