Come i metamateriali stanno reinventando l'imaging radar 3-D

Il radar ad apertura sintetica è una straordinaria tecnica di imaging che produce immagini 2D e 3D ad alta risoluzione dai riflessi radar. Poiché si basa sulla radio o sulle microonde piuttosto che sulla luce visibile, può vedere attraverso la foschia, le nuvole e talvolta persino i muri. Per questo motivo, è diventata la tecnica di riferimento per il rilevamento della Terra, i controlli di sicurezza e lo spionaggio sponsorizzato dallo stato.

C'è un problema, tuttavia. I sistemi radar ad apertura sintetica tendono ad essere grandi, affamati di energia e meccanicamente complessi quando hanno meccanismi di guida per puntarli. Tutto ciò li rende anche costosi. Ecco perché il radar ad apertura sintetica è utilizzato principalmente dal tipo di organizzazioni militari e governative che possono permetterselo.

Quindi qualsiasi modo per rendere questi sistemi radar ad apertura sintetica più piccoli, più economici e più efficienti sarebbe estremamente significativo.

Oggi, Timothy Sleasman della Duke University di Durham, nella Carolina del Nord, e alcuni amici svelano proprio un tale sistema. Il loro radar ad apertura sintetica è costruito con una nuova sostanza esotica chiamata metamateriale, che lo rende più flessibile, più efficiente e più economico di qualsiasi altra cosa costruita prima, pur mantenendo la stessa qualità dell'immagine dei tradizionali sistemi radar ad apertura sintetica.

I sistemi radar creano immagini emettendo una serie di onde radio pulsate e quindi registrando il segnale riflesso dall'ambiente. La risoluzione di questa tecnica è limitata dalle dimensioni del ricevitore. Un modo per raccogliere più onde di ritorno è utilizzare una parabola riflettente con una superficie maggiore rispetto a una semplice antenna. Ciò aumenta la risoluzione del radar.

Ma negli anni '50, gli ingegneri aerospaziali americani si resero conto che esiste un altro modo per migliorare il processo di raccolta del segnale: spostare l'antenna mentre sta ricevendo.

In questo scenario, l'antenna è a bordo di un aereo o di un'astronave. Emette un impulso radio che si diffonde e si riflette su una serie di oggetti a terra. Il segnale riflesso ritorna all'antenna, che si è spostata. La distanza che percorre durante questo tempo aumenta effettivamente la dimensione dell'apertura di ricezione e quindi la risoluzione del sistema.

Naturalmente, è necessaria una potente elaborazione del segnale per numerare il segnale quando ritorna per creare immagini 2D e 3D. Ma questo è relativamente semplice in questi giorni. Il risultato è un radar ad apertura sintetica con una risoluzione molto più elevata rispetto a un'antenna fissa.

Dagli anni '50, questa tecnica è stata notevolmente migliorata e messa a punto. Ad esempio, la risoluzione può essere ulteriormente aumentata ruotando il trasmettitore mentre si muove, per puntarlo verso un target specifico. Un'altra tecnica per la focalizzazione del raggio consiste nell'utilizzare una serie di antenne che producono tutte impulsi che interferiscono in un modo che punta il segnale generale in una direzione specifica.

Ma queste tecniche sono affamate di energia, meccanicamente complesse e costose.

Entrano Sleasman e compagni e il loro metamateriale. Questa è una struttura periodica composta da minuscoli componenti elettronici che interagiscono ciascuno con un campo elettromagnetico. Insieme, questi componenti conferiscono al materiale proprietà sfuse esotiche che altrimenti non si trovano mai in natura.

Vari gruppi hanno costruito metamateriali che piegano le onde elettromagnetiche, inclusa la luce visibile, in modi strani. Hanno persino costruito mantelli dell'invisibilità in questo modo. (In effetti, il leader di questa squadra, David Smith, costruì il primo mantello dell'invisibilità come questo all'inizio del secolo.)

La loro apertura radar è costituita da una stretta striscia di circuiti elettronici di risonanza stampati che lavorano alle frequenze delle microonde. Ogni risuonatore riceve e trasmette ad una frequenza specifica, che può essere variata sintonizzando le sue proprietà elettroniche, come un sintonizzatore radio. Il diagramma di radiazione complessivo generato da questa apertura è quindi la sovrapposizione della radiazione di ogni singolo radiatore, affermano Sleasman e co.

Il team chiama questa antenna una metasuperficie dinamica. È significativo perché regolando ogni radiatore in modo appropriato, il team può controllare con precisione il modello di radiazione. Questo dà a Sleasman e co il controllo sulla direzione del raggio, la sua forma complessiva e, entro certi limiti, la sua frequenza.

Ciò offre loro una vasta gamma di abilità impressionanti. La flessibilità offerta dalle metasuperfici dinamiche può essere utilizzata per orientare i raggi direttivi per una maggiore potenza del segnale, creare punti nulli nel pattern per evitare inceppamenti, sondare un'ampia regione di interesse con un raggio ampio o persino interrogare più posizioni contemporaneamente con una raccolta di raggi , dice il gruppo.

Di per sé questo è un significativo passo avanti, ma Sleasman e co vanno oltre testando una forma completamente nuova di radar ad apertura sintetica. Le metasuperfici dinamiche consentono a Sleasman e collaboratori di produrre una serie di impulsi che variano in direzione del tutto in modo casuale. Quindi, mentre la metasuperficie dinamica si muove attraverso lo spazio, raccoglie i riflessi da questi raggi casuali.

Il grande vantaggio di questa tecnica è nel modo in cui questi segnali vengono elaborati. Poiché variano nella direzione in modo casuale, coprono un'area molto più ampia rispetto a un raggio convenzionale, che punta in una sola direzione.

Con un unico raggio è possibile creare immagini ad alta risoluzione di un unico soggetto. Ma con una serie di raggi casuali, è possibile produrre immagini ad alta risoluzione di molti soggetti contemporaneamente. È anche possibile rielaborare i dati in un secondo momento per concentrarsi su un nuovo argomento di interesse. In questo senso, l'apertura sonda molte parti del contenuto spaziale della scena contemporaneamente e indaga ogni luogo più volte, affermano Sleasman e co.

La parte principale del loro lavoro è costruire questo dispositivo e poi caratterizzarne le prestazioni. E i risultati sono impressionanti.

Il team mostra che la nuova tecnica di imaging produce immagini altrettanto buone delle tradizionali tecniche di apertura sintetica, ma con i vantaggi aggiuntivi descritti sopra. Inoltre, la metasuperficie dinamica è così versatile e facile da controllare che può essere utilizzata anche nei modi tradizionali. Dimostriamo immagini di alta qualità sia in 2D che in 3D, affermano Sleasman e co.

È un lavoro impressionante che potrebbe avere implicazioni significative per il modo in cui viene utilizzato il radar ad apertura sintetica. Avere tecniche di imaging migliori e ad alta risoluzione è ovviamente utile. Ma il vantaggio più grande è probabilmente il suo costo. Le metasuperfici dinamiche possono essere stampate in massa a basso costo.

Ciò li rende improvvisamente potenzialmente utili per un'ampia gamma di applicazioni. Come affermano Sleasman e colleghi: l'apertura dinamica della metasuperficie è pronta a dare importanti contributi nell'intero campo del rilevamento a microonde.

Rif: arxiv.org/abs/1703.00072 : Radar sperimentale ad apertura sintetica con metasuperfici dinamiche

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