超材料改造3D成像技術，「間諜之眼」合成孔徑雷達更加強大

合成孔徑雷達是一項引人注目的成像技術，它可以通過雷達反射產生高解析度的2D和3D圖像。由於是依賴無線電波或微波而非可見光，所以它能夠穿透雲霧甚至是建築物。它也因此成為地球遙感、安全檢查以及國家官方間諜偵查等方面的關鍵技術。

然而，這裡始終有一個難以解決的問題。由於需要轉向裝置來瞄準目標，導致合成孔徑雷達系統往往體積巨大、十分耗電、機械結構複雜且極其昂貴。而這也是為什麼合成孔徑雷達主要是被某些軍方或政府組織所使用。

因此，找到讓這些合成孔徑雷達系統變得更小、更便宜、更有效的解決方案就變成了當務之急。

近日，美國杜克大學的Timothy Sleasman和他的幾個同事就公布了這樣一個系統。他們的合成孔徑雷達由一種新的超材料所製造，這使得它比以往任何合成孔徑系統都更為靈活、高效和便宜，同時還能保持和傳統合成孔徑雷達一致的成像質量。

談到這一問題就必須首先了解一下雷達的工作原理。雷達系統通過發射一系列脈衝無線電波並記錄從環境中反射回來的信號來創建圖像。這種技術的解析度受限於信號接收器的大小。一種收集更多回波的方法是使用一個比簡單天線擁有更大表面積的反射拋物面天線，這能有效增加雷達的解析度。

但是在20世紀50年代，美國的航空工程師們意識到還有另一種改進信號收集過程的方法——那就是在移動雷達的位置，使其與信號保持一致。

設想中，天線被放置在飛行器或航天器中。它向地面發射無線電波，之後遇到地面的一系列物體後反射回來。這些被反射回來的信號又被已經移動了的天線接收到。而天線在這段時間經過的距離，將有效增加接收口徑的大小，也因此就提高系統的解析度。

當然，為了創建2D和3D圖像，還需要一些強大的信號處理方法來應對關於信號的複雜運算。有了這兩部分的配合，一個擁有極高解析度的「合成孔徑雷達」就誕生了，其解析度遠遠高於固定天線。

從20世紀50年代起，這項技術被不斷改進、優化。比如，通過對移動中的接收器安設平衡裝置、使其永遠朝向一個特定目標，解析度可以被進一步提高。而使用陣列天線產生相互干涉的脈衝可以使波束聚焦，從而使整體信號指向一個特定方向。

但總的來說，以上這些技術仍非常耗電、機械結構複雜且十分昂貴。

而Sleasman的超材料是一種由眾多微小的電子元件組成的周期性結構，其中的每個電子元件都和一個電磁場相互作用。這些元件聚集在一起，使這種材料擁有了自然界中不存在的奇特的整體特性。

許多團隊都曾使用奇特的方法來構建能夠捲曲電磁波(包括可見光)的超材料。他們甚至以此設計出了隱形斗篷。(的確，這個團隊的領導者David Smith就曾在世紀之交，用此類方法製造出第一件隱形斗篷。)

他們的雷達孔徑包括了一個能在微波頻率下工作的長條形的諧振電路。每個諧振器都能以特定頻率接收和發射信號，而該頻率可以通過調整它的電子特性而改變，正如一個無線電調諧器。Sleasman和他的同事們表示：「整體的輻射方向圖由這個孔徑產生，從而完成每個單一輻射源的輻射疊加。」

該團隊把這種天線稱為一個動態超表面。這一點在適當地調節每個輻射源後表現得十分明顯，並且團隊能夠精確地控制輻射的模式。這使得Sleasman和他的同事能操控波束的方向、整體形狀以及在一定限度內控制波束頻率。

這使他們擁有了很多非凡的能力。該團隊稱：「由動態超表面提供的靈活性可以被用來控制定向波束從而增強信號強度，創造模式中的空值來避免干擾，以寬波束探查一大片目標區域，甚至用一組波束同時探詢多個位置。」

這項發現本身就是一大成就，但Sleasman和他的同事們沒有止步於此，他們通過構建一種全新形式的合成孔徑雷達而使其發揮出更大的作用。動態超表面使得Sleasman和同事能產生一系列隨機分散於多個方向的脈衝。因此，當動態超表面在空間中移動，它能夠獲得這一系列隨機波束的反射回波。

這項技術的巨大優勢在於這些信號被處理的方法。由於它們隨機分布於多個方向，它們的覆蓋範圍也要比之傳統波束要廣闊得多。

這也使得對多個物體同時構建高解析度圖像成為可能。Sleasman和同事認為：「從這個意義上講，這項孔徑技術能同時探測場景中的多個空間信息，並對每個位置多次探查。」目前來講，實驗結果令人印象深刻。

該團隊展示了這一嶄新的成像技術除了擁有以上所描述的各種優點之外，還可以生成和傳統合成孔徑雷達一樣高質量的圖像。同時，用途廣泛且易於控制的動態超表面也在傳統方法中被大範圍使用。Sleasman和同事表示：「無論是2D還是3D圖像，質量都非常的好。」

最關鍵的是這項技術的費用十分的低，這使得很多可能的應用場景都有了實現的可能。按照Sleasman和同事們所說，「動態超表面孔徑技術時刻準備著對整個微波感知領域做出重要的貢獻。」

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