超材料改造3D成像技术 合成孔径雷达更加强大

超材料改造3D成像技术合成孔径雷达更加强大合成孔径雷达是一项引人注目的成像技术，它可以通过雷达反射产生高分辨率的2D和3D图像由于是依赖无线电波或微波而非可见光，所以它能够穿透云雾甚至是建筑物它也因此成为地球遥感、安全检查以及国家官方间谍侦查等方面的关键技术然而，这里始终有一个难以解决的问题由于需要转向装置来瞄准目标，导致合成孔径雷达系统往往体积巨大、十分耗电、机械结构复杂且极其昂贵而这也是为什么合成孔径雷达主要是被某些军方或政府组织所使用因此，找到让这些合成孔径雷达系统变得更小、更便宜、更有效的解决方案就变成了当务之急近日，美国杜克大学的Timothy Sleasman和他的几个同事就公布了这样一个系统他们的合成孔径雷达由一种新的超材料所制造，这使得它比以往任何合成孔径系统都更为灵活、高效和便宜，同时还能保持和传统合成孔径雷达一致的成像质量谈到这一问题就必须首先了解一下雷达的工作原理雷达系统通过发射一系列脉冲无线电波并记录从环境中反射回来的信号来创建图像这种技术的分辨率受限于信号接收器的大小一种收集更多回波的方法是使用一个比简单天线拥有更大表面积的反射抛物面天线，这能有效增加雷达的分辨率但是在20世纪50年代，美国的航空工程师们意识到还有另一种改进信号收集过程的方法一一那就是在移动雷达的位置，使其与信号保持一致设想中，天线被放置在飞行器或航天器中它向地面发射无线电波，之后遇到地面的一系列物体后反射回来这些被反射回来的信号又被已经移动了的天线接收到而天线在这段时间经过的距离，将有效增加接收口径的大小，也因此就提高系统的分辨率当然，为了创建2D和3D图像，还需要一些强大的信号处理方法来应对关于信号的复杂运算有了这两部分的配合，一个拥有极高分辨率的“合成孔径雷达”就诞生了，其分辨率远远高于固定天线从20世纪50年代起，这项技术被不断改进、优化比如，通过对移动中的接收器安设平衡装置、使其永远朝向一个特定目标，分辨率可以被进一步提高而使用连列天线产生相互干涉的脉冲可以使波束聚焦，从而使整体信号指向一个特定方向但总的来说，以上这些技术仍非常耗电、机械结构复杂且十分昂贵而Sleasman的超材料是一种由众多微小的电子元件组成的周期性结构，其中的每个电子元件都和一个电磁场相互作用这些元件聚集在一起，使这种材料拥有了自然界中不存在的奇特的整体特性许多团队都曾使用奇特的方法来构建能够卷曲电磁波（包括可见光）的超材料他们甚至以此设计出了隐形斗篷（的确，这个团队的领导者David Smith就曾在世纪之交，用此类方法制造出第一件隐形斗篷）他们的雷达孔径包括了一个能在微波频率下工作的长条形的谐振电路每个谐振器都能以特定频率接收和发射信号，而该频率可以通过调整它的电子特性而改变，正如一个无线电调谐器Sleasman和他的同事们表示“整体的辐射方向图由这个孔径产生，从而完成每个单一辐射源的辐射叠加”该团队把这种天线称为一个动态超表面这一点在适当地调节每个辐射源后表现得十分明显，并且团队能够精确地控制辐射的模式这使得Sleasman和他的同事能操控波束的方向、整体形状以及在一定限度内控制波束频率这使他们拥有了很多非凡的能力该团队称“由动态超表面提供的灵活性可以被用来控制定向波束从而增强信号强度，创造模式中的空值来避免干扰，以宽波束探查一大片目标区域，甚至用一组波束同时探询多个位置”这项发现本身就是一大成就，但Sleasman和他的同事们没有止步于此，他们通过构建一种全新形式的合成孔径雷达而使其发挥出更大的作用动态超表面使得Sleasman和同事能产生一系列随机分散于多个方向的脉冲因此，当动态超表面在空间中移动，它能够获得这一系列随机波束的反射回波这项技术的巨大优势在于这些信号被处理的方法由于它们随机分布于多个方向，它们的覆盖范围也要比之传统波束要广阔得多这也使得对多个物体同时构建高分辨率图像成为可能Sleasman和同事认为“从这个意义上讲，这项孔径技术能同时探测场景中的多个空间信息，并对每个位置多次探查”目前来讲，实验结果令人印象深刻该团队展示了这一崭新的成像技术除了拥有以上所描述的各种优点之外，还可以生成和传统合成孔径雷达一样高质量的图像同时，用途广泛且易于控制的动态超表面也在传统方法中被大范围使用Sleasman和同事表示“无论是2D还是3D图像，质量都非常的好”最关键的是这项技术的费用十分的低，这使得很多可能的应用场景都有了实现的可能按照Sleasman和同事们所说，“动态超表面孔径技术时刻准备着对整个微波感知领域做出重要的贡献”。