Физика

Радарные устройства, используемые для обнаружения наземных мин, с трудом различают особенности на глубине, на которой эти объекты обычно закопаны, что может привести к ложным срабатываниям и, следовательно, к потере времени. Теперь исследователи продемонстрировали подтверждение концепции радиолокационного метода, который может различать меньшие объекты на большей глубине, чем это было возможно ранее [1]. Исследователи говорят, что их метод может позволить обнаруживать мины, закопанные на глубине нескольких метров под землей, что намного глубже, чем несколько сантиметров, доступных при нынешних технологиях. Археологи также могут использовать новый метод для поиска захороненных артефактов.

Радарная система посылает серию коротких радиоволновых импульсов, которые могут столкнуться с объектом и отразиться обратно на устройство. Устройство использует отраженные волны для определения размера и расстояния до объекта. Когда на пути импульсов находятся два объекта, устройство может распознать оба объекта, если обнаружит два отчетливых пика отраженных радиоволн.

Чтобы увеличить мощность радара по обнаружению объектов, находящихся близко друг к другу, импульсы можно укоротить. Уменьшение длины импульса требует увеличения его полосы пропускания, то есть разброса частот, составляющих импульс. Обычно импульсы укорачиваются за счет добавления волн более высокой частоты, но добавление этих частот имеет обратную сторону. «Почти каждая материальная среда становится более непрозрачной с увеличением частоты», — говорит Джон Хауэлл, ученый-радар из Университета Чепмена в Калифорнии. Эта возрастающая непрозрачность ограничивает глубину зондирования при включении высоких частот. Таким образом, чтобы повысить чувствительность на больших расстояниях, пользователи радаров должны использовать более длинные импульсы и, таким образом, жертвовать разрешением.

Чтобы обойти это ограничение, Хауэлл и его коллеги разработали радиолокационный сигнал, который выглядит как серия зигзагов с треугольными пиком и впадиной, а также дополнительными пиком и впадиной, которые обрезаны так, что включают плоские сегменты. Наклонные участки очень чувствительны к интерференции между различными отраженными волнами, тогда как плоские участки нечувствительны к такой интерференции.

Команда протестировала эту форму сигнала, отправив его через коаксиальный кабель, предназначенный для создания двух версий сигнала длиной 200 наносекунд на дальнем конце: прямой версии и версии с задержкой на несколько наносекунд. Осциллограф обнаружил интерференцию двух сигналов, которая представляла собой ожидаемые отражения от двух соседних объектов.

Объединенный сигнал содержал некоторые разделы, которые были существенно изменены, и другие, которые остались без изменений. Эти области «без изменений» действовали как контрольные точки, которые позволяли исследователям обнаруживать изменения, которые могли произойти на расстояниях, меньших длины импульса, и которые были вызваны интерференцией между двумя отражениями. Используя эту информацию, команда определила расстояния между двумя виртуальными объектами, которые были в десятки тысяч раз короче, чем это было бы возможно в противном случае.

По словам Хауэлла, это подтверждение концепции указывает на то, что метод должен обеспечить значительные улучшения. «Радар с достаточным разрешением, чтобы увидеть мину, может проникнуть в землю лишь на несколько сантиметров. Теперь мы можем получить субсантиметровое разрешение и исследовать землю на многие метры». Это улучшение также может позволить археологам находить крошечные закопанные объекты — в настоящее время они могут обнаружить только большие стены или пустоты. Это также могло бы помочь океанографам составить карту дна океана, что невозможно с помощью нынешних радиолокационных систем.

Увеличение разрешения, о котором сообщают Хауэлл и его коллеги, превосходит предыдущие «на порядки, что впечатляет и захватывает», — говорит Стефан Фрик, квантовый физик, работающий над квантовым радаром в Университете Инсбрука, Австрия. К такому же выводу приходит Томас Фроментез, специалист по радиолокационным технологиям из Лиможского университета во Франции. «Пределы разрешения представляют собой значительные аппаратные ограничения в радиолокационной визуализации», — говорит он, и новая работа может принести пользу развитию методов сверхразрешения.