Comment les métamatériaux réinventent l'imagerie radar 3D

Le radar à synthèse d'ouverture est une technique d'imagerie remarquable qui produit des images 2D et 3D haute résolution à partir des réflexions radar. Parce qu'il s'appuie sur la radio ou les micro-ondes plutôt que sur la lumière visible, il peut voir à travers la brume, les nuages ​​et parfois même les murs. Pour cette raison, il est devenu la technique incontournable pour la détection de la Terre, le filtrage de sécurité et l'espionnage parrainé par l'État.

Il y a cependant un problème. Les systèmes radar à synthèse d'ouverture ont tendance à être gros, gourmands en énergie et mécaniquement complexes lorsqu'ils ont des mécanismes de direction pour les pointer. Tout cela les rend aussi chers. C'est pourquoi le radar à synthèse d'ouverture est principalement utilisé par le type d'organisations militaires et gouvernementales qui peuvent se le permettre.

Donc, tout moyen de rendre ces systèmes radar à synthèse d'ouverture plus petits, moins chers et plus efficaces serait extrêmement important.

Aujourd'hui, Timothy Sleasman de l'Université Duke de Durham, en Caroline du Nord, et quelques amis dévoilent un tel système. Leur radar à synthèse d'ouverture est construit à partir d'une nouvelle substance exotique appelée métamatériau, ce qui le rend plus flexible, plus efficace et moins cher que tout ce qui a été construit auparavant, tout en conservant la même qualité d'image que les systèmes radar à synthèse d'ouverture traditionnels.

Les systèmes radar créent des images en émettant une série d'ondes radio pulsées, puis en enregistrant le signal réfléchi par l'environnement. La résolution de cette technique est limitée par la taille du récepteur. Une façon de recueillir davantage d'ondes de retour consiste à utiliser une parabole réfléchissante avec une surface plus grande qu'une simple antenne. Cela augmente la résolution du radar.

Mais dans les années 1950, les ingénieurs aérospatiaux américains ont réalisé qu'il existait un autre moyen d'améliorer le processus de collecte du signal : en déplaçant l'antenne pendant qu'elle reçoit.

Dans ce scénario, l'antenne est à bord d'un avion ou d'un vaisseau spatial. Il émet une impulsion radio qui se propage et se réfléchit sur une gamme d'objets au sol. Le signal réfléchi revient à l'antenne qui s'est déplacée. La distance qu'il parcourt pendant ce temps augmente effectivement la taille de l'ouverture de réception et donc la résolution du système.

Bien sûr, il doit y avoir un traitement de signal puissant pour numériser le signal lorsqu'il revient pour créer des images 2D et 3D. Mais c'est relativement simple de nos jours. Le résultat est un radar à synthèse d'ouverture avec une résolution beaucoup plus élevée qu'une antenne stationnaire.

Depuis les années 1950, cette technique a été considérablement améliorée et affinée. Par exemple, la résolution peut être encore augmentée en faisant pivoter l'émetteur pendant qu'il se déplace, pour le pointer vers une cible spécifique. Une autre technique de focalisation du faisceau consiste à utiliser un réseau d'antennes qui produisent toutes des impulsions qui interfèrent d'une manière qui pointe le signal global dans une direction spécifique.

Mais ces techniques sont gourmandes en énergie, mécaniquement complexes et coûteuses.

Entrez Sleasman and co et leur métamatériau. Il s'agit d'une structure périodique composée de minuscules composants électroniques qui interagissent chacun avec un champ électromagnétique. Ensemble, ces composants confèrent au matériau des propriétés de masse exotiques qui ne sont autrement jamais trouvées dans la nature.

Divers groupes ont construit des métamatériaux qui courbent les ondes électromagnétiques, y compris la lumière visible, de manière étrange. Ils ont même construit des capes d'invisibilité de cette façon. (En effet, le chef de cette équipe, David Smith, a construit la première cape d'invisibilité comme celle-ci au tournant du siècle.)

Leur ouverture radar est constituée d'une bande étroite de circuits électroniques résonnants imprimés fonctionnant aux fréquences micro-ondes. Chaque résonateur reçoit et diffuse à une fréquence spécifique, qui peut être modifiée en ajustant ses propriétés électroniques, comme un tuner radio. Le diagramme de rayonnement global généré par cette ouverture est donc la superposition du rayonnement de chaque radiateur, disons Sleasman et co.

L'équipe appelle cette antenne une métasurface dynamique. C'est important car en réglant chaque radiateur de manière appropriée, l'équipe peut contrôler avec précision le schéma de rayonnement. Cela donne à Sleasman and co le contrôle de la direction du faisceau, de sa forme générale et, dans certaines limites, de sa fréquence.

Cela leur donne un large éventail de capacités impressionnantes. La flexibilité offerte par les métasurfaces dynamiques peut être utilisée pour orienter les faisceaux directifs pour une force de signal améliorée, créer des zéros dans le motif pour éviter le brouillage, sonder une grande région d'intérêt avec un faisceau large, ou même interroger plusieurs positions à la fois avec une collection de faisceaux , précise le groupe.

En soi, c'est un pas en avant significatif, mais Sleasman et co vont plus loin en testant une toute nouvelle forme de radar à ouverture synthétique. Les métasurfaces dynamiques permettent à Sleasman and co de produire une série d'impulsions dont la direction varie de manière entièrement aléatoire. Ainsi, lorsque la métasurface dynamique se déplace dans l'espace, elle capte les réflexions de ces faisceaux aléatoires.

Le gros avantage de cette technique réside dans la manière dont ces signaux sont traités. Parce qu'ils varient en direction au hasard, ils couvrent une zone beaucoup plus large qu'un faisceau conventionnel, qui pointe dans une seule direction.

Avec un seul faisceau, il est possible de créer des images haute résolution d'un seul sujet. Mais avec une série de faisceaux aléatoires, il est possible de produire des images haute résolution de nombreux sujets en même temps. Il est même possible de retraiter les données ultérieurement pour se focaliser sur un nouveau sujet d'intérêt. En ce sens, l'ouverture sonde simultanément de nombreuses parties du contenu spatial de la scène et étudie chaque emplacement plusieurs fois, disent Sleasman et co.

L'essentiel de leur travail consiste à construire cet appareil puis à caractériser ses performances. Et les résultats sont impressionnants.

L'équipe montre que la nouvelle technique d'imagerie produit des images qui sont tout aussi bonnes que les techniques d'ouverture synthétique traditionnelles, mais avec les avantages supplémentaires décrits ci-dessus. De plus, la métasurface dynamique est si polyvalente et facile à contrôler qu'elle peut également être utilisée de manière traditionnelle. Nous démontrons une imagerie de haute qualité en 2D et en 3D, disent Sleasman et co.

C'est un travail impressionnant qui pourrait avoir des implications importantes sur la façon dont le radar à synthèse d'ouverture est utilisé. Avoir de meilleures techniques d'imagerie à haute résolution est évidemment utile. Mais le plus gros avantage est probablement son coût. Les métasurfaces dynamiques peuvent être imprimées en masse à faible coût.

Cela les rend soudainement utiles pour un large éventail d'applications. Comme l'ont dit Sleasman et co : L'ouverture dynamique de la métasurface est sur le point d'apporter d'importantes contributions dans l'ensemble du domaine de la détection des micro-ondes.

Réf : arxiv.org/abs/1703.00072 : Radar expérimental à synthèse d'ouverture avec métasurfaces dynamiques

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