Cómo los metamateriales están reinventando las imágenes de radar 3D

El radar de apertura sintética es una técnica de imagen extraordinaria que produce imágenes en 2D y 3D de alta resolución a partir de los reflejos del radar. Debido a que depende de la radio o las microondas en lugar de la luz visible, puede ver a través de la neblina, las nubes y, a veces, incluso las paredes. Por esa razón, se ha convertido en la técnica de referencia para la detección de la Tierra, el control de seguridad y el espionaje patrocinado por el estado.

Sin embargo, hay un problema. Los sistemas de radar de apertura sintética tienden a ser grandes, consumen mucha energía y son mecánicamente complejos cuando tienen mecanismos de dirección para apuntarlos. Todo eso los hace caros, también. Es por eso que el radar de apertura sintética es utilizado principalmente por el tipo de organizaciones militares y gubernamentales que pueden permitírselo.

Por lo tanto, cualquier forma de hacer que estos sistemas de radar de apertura sintética sean más pequeños, más baratos y más eficientes sería muy importante.

Hoy, Timothy Sleasman de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, y algunos amigos revelan tal sistema. Su radar de apertura sintética está construido a partir de una nueva sustancia exótica llamada metamaterial, lo que lo hace más flexible, más eficiente y más económico que cualquier otro construido antes, al tiempo que mantiene la misma calidad de imagen que los sistemas tradicionales de radar de apertura sintética.

Los sistemas de radar crean imágenes emitiendo una serie de ondas de radio pulsadas y luego registrando la señal que se refleja en el entorno. La resolución de esta técnica está limitada por el tamaño del receptor. Una forma de recolectar más ondas que regresan es usar un plato reflector con un área de superficie más grande que una antena simple. Esto aumenta la resolución del radar.

Pero en la década de 1950, los ingenieros aeroespaciales estadounidenses se dieron cuenta de que había otra forma de mejorar el proceso de recopilación de señales: moviendo la antena mientras recibe.

En este escenario, la antena está a bordo de un avión o nave espacial. Emite un pulso de radio que se propaga y se refleja en una variedad de objetos en el suelo. La señal reflejada vuelve a la antena, que se ha movido. La distancia que recorre durante este tiempo aumenta efectivamente el tamaño de la apertura receptora y, por lo tanto, la resolución del sistema.

Por supuesto, debe haber un procesamiento de señal potente para procesar la señal cuando regresa para crear imágenes en 2D y 3D. Pero esto es relativamente sencillo en estos días. El resultado es un radar de apertura sintética con una resolución mucho mayor que una antena estacionaria.

Desde la década de 1950, esta técnica se ha mejorado y perfeccionado significativamente. Por ejemplo, la resolución se puede aumentar aún más girando el transmisor a medida que se mueve, para apuntarlo hacia un objetivo específico. Otra técnica para enfocar el haz es usar un conjunto de antenas que producen pulsos que interfieren de una manera que apunta la señal general en una dirección específica.

Pero estas técnicas consumen mucha energía, son mecánicamente complejas y costosas.

Entra Sleasman y compañía y su metamaterial. Esta es una estructura periódica hecha de pequeños componentes electrónicos que interactúan con un campo electromagnético. Juntos, estos componentes le dan al material propiedades de volumen exóticas que de otro modo nunca se encontrarían en la naturaleza.

Varios grupos han construido metamateriales que doblan las ondas electromagnéticas, incluida la luz visible, de formas extrañas. Incluso han construido capas de invisibilidad de esta manera. (De hecho, el líder de este equipo, David Smith, construyó la primera capa de invisibilidad como esta a principios de siglo).

Su apertura de radar consiste en una franja estrecha de circuitos resonantes electrónicos impresos que funcionan en frecuencias de microondas. Cada resonador recibe y emite a una frecuencia específica, que se puede variar ajustando sus propiedades electrónicas, como un sintonizador de radio. El patrón de radiación general generado por esta apertura es, por lo tanto, la superposición de la radiación de cada radiador, dicen Sleasman y compañía.

El equipo llama a esta antena una metasuperficie dinámica. Es significativo porque al ajustar cada radiador de manera adecuada, el equipo puede controlar el patrón de radiación con precisión. Esto le da a Sleasman y compañía control sobre la dirección del haz, su forma general y, dentro de ciertos límites, su frecuencia.

Eso les da una amplia gama de habilidades impresionantes. La flexibilidad que ofrecen las metasuperficies dinámicas se puede usar para dirigir los haces directivos para mejorar la intensidad de la señal, crear valores nulos en el patrón para evitar interferencias, sondear una gran región de interés con un haz amplio o incluso interrogar varias posiciones a la vez con una colección de haces. , dice el grupo.

En sí mismo, es un importante paso adelante, pero Sleasman y compañía van más allá al probar una forma completamente nueva de radar de apertura sintética. Las metasuperficies dinámicas permiten a Sleasman y compañía producir una serie de pulsos que varían en dirección completamente al azar. Entonces, a medida que la metasuperficie dinámica se mueve por el espacio, recoge los reflejos de estos haces aleatorios.

La gran ventaja de esta técnica está en la forma en que se procesan estas señales. Debido a que varían en dirección al azar, cubren un área mucho más amplia que un haz convencional, que apunta en una sola dirección.

Con un solo haz, es posible crear imágenes de alta resolución de un solo sujeto. Pero con una serie de rayos aleatorios, es posible producir imágenes de alta resolución de muchos sujetos al mismo tiempo. Incluso es posible reprocesar los datos más tarde para centrarse en un nuevo tema de interés. En este sentido, la apertura sondea muchas partes del contenido espacial de la escena simultáneamente e investiga cada ubicación varias veces, dicen Sleasman y compañía.

La parte principal de su trabajo es construir este dispositivo y luego caracterizar su desempeño. Y los resultados son impresionantes.

El equipo muestra que la nueva técnica de imagen produce imágenes que son tan buenas como las técnicas tradicionales de apertura sintética, pero con los beneficios adicionales descritos anteriormente. Además, la metasuperficie dinámica es tan versátil y fácil de controlar que también se puede utilizar de forma tradicional. Demostramos imágenes de alta calidad tanto en 2D como en 3D, dicen Sleasman y compañía.

Ese es un trabajo impresionante que podría tener implicaciones significativas para la forma en que se usa el radar de apertura sintética. Tener mejores técnicas de imagen de alta resolución es obviamente útil. Pero la mayor ventaja es probablemente su costo. Las metasuperficies dinámicas se pueden imprimir en masa a bajo costo.

Eso de repente los hace potencialmente útiles para una amplia gama de aplicaciones. Como lo expresaron Sleasman y compañía: La apertura dinámica de la metasuperficie está lista para hacer contribuciones importantes en todo el campo de la detección de microondas.

Ref: arxiv.org/abs/1703.00072 : Radar experimental de apertura sintética con metasuperficies dinámicas

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