合成孔徑雷達(dá)是一項(xiàng)引人注目的成像技術(shù)，它可以通過雷達(dá)反射產(chǎn)生高分辨率的2D和3D圖像。由于是依賴無線電波或微波而非可見光，所以它能夠穿透云霧甚至是建筑物。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(guān)鍵技術(shù)。

然而，這里始終有一個(gè)難以解決的問題。由于需要轉(zhuǎn)向裝置來瞄準(zhǔn)目標(biāo)，導(dǎo)致合成孔徑雷達(dá)系統(tǒng)往往體積巨大、十分耗電、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)雜且極其昂貴。而這也是為什么合成孔徑雷達(dá)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(dá)系統(tǒng)變得更小、更便宜、更有效的解決方案就變成了當(dāng)務(wù)之急。

近日，美國杜克大學(xué)的Timothy Sleasman和他的幾個(gè)同事就公布了這樣一個(gè)系統(tǒng)。他們的合成孔徑雷達(dá)由一種新的超材料所制造，這使得它比以往任何合成孔徑系統(tǒng)都更為靈活、高效和便宜，同時(shí)還能保持和傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)一致的成像質(zhì)量。

談到這一問題就必須首先了解一下雷達(dá)的工作原理。雷達(dá)系統(tǒng)通過發(fā)射一系列脈沖無線電波并記錄從環(huán)境中反射回來的信號來創(chuàng)建圖像。這種技術(shù)的分辨率受限于信號接收器的大小。一種收集更多回波的方法是使用一個(gè)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(dá)的分辨率。

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

設(shè)想中，天線被放置在飛行器或航天器中。它向地面發(fā)射無線電波，之后遇到地面的一系列物體后反射回來。這些被反射回來的信號又被已經(jīng)移動(dòng)了的天線接收到。而天線在這段時(shí)間經(jīng)過的距離，將有效增加接收口徑的大小，也因此就提高系統(tǒng)的分辨率。

當(dāng)然，為了創(chuàng)建2D和3D圖像，還需要一些強(qiáng)大的信號處理方法來應(yīng)對關(guān)于信號的復(fù)雜運(yùn)算。有了這兩部分的配合，一個(gè)擁有極高分辨率的“合成孔徑雷達(dá)”就誕生了，其分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于固定天線。

從20世紀(jì)50年代起，這項(xiàng)技術(shù)被不斷改進(jìn)、優(yōu)化。比如，通過對移動(dòng)中的接收器安設(shè)平衡裝置、使其永遠(yuǎn)朝向一個(gè)特定目標(biāo)，分辨率可以被進(jìn)一步提高。而使用陣列天線產(chǎn)生相互干涉的脈沖可以使波束聚焦，從而使整體信號指向一個(gè)特定方向。

但總的來說，以上這些技術(shù)仍非常耗電、機(jī)械結(jié)構(gòu)復(fù)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(jié)構(gòu)，其中的每個(gè)電子元件都和一個(gè)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(tuán)隊(duì)都曾使用奇特的方法來構(gòu)建能夠卷曲電磁波(包括可見光)的超材料。他們甚至以此設(shè)計(jì)出了隱形斗篷。(的確，這個(gè)團(tuán)隊(duì)的領(lǐng)導(dǎo)者David Smith就曾在世紀(jì)之交，用此類方法制造出第一件隱形斗篷。)

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

該團(tuán)隊(duì)把這種天線稱為一個(gè)動(dòng)態(tài)超表面。這一點(diǎn)在適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)每個(gè)輻射源后表現(xiàn)得十分明顯，并且團(tuán)隊(duì)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(nèi)控制波束頻率。

這使他們擁有了很多非凡的能力。該團(tuán)隊(duì)稱：“由動(dòng)態(tài)超表面提供的靈活性可以被用來控制定向波束從而增強(qiáng)信號強(qiáng)度，創(chuàng)造模式中的空值來避免干擾，以寬波束探查一大片目標(biāo)區(qū)域，甚至用一組波束同時(shí)探詢多個(gè)位置。”

這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)本身就是一大成就，但Sleasman和他的同事們沒有止步于此，他們通過構(gòu)建一種全新形式的合成孔徑雷達(dá)而使其發(fā)揮出更大的作用。動(dòng)態(tài)超表面使得Sleasman和同事能產(chǎn)生一系列隨機(jī)分散于多個(gè)方向的脈沖。因此，當(dāng)動(dòng)態(tài)超表面在空間中移動(dòng)，它能夠獲得這一系列隨機(jī)波束的反射回波。

這項(xiàng)技術(shù)的巨大優(yōu)勢在于這些信號被處理的方法。由于它們隨機(jī)分布于多個(gè)方向，它們的覆蓋范圍也要比之傳統(tǒng)波束要廣闊得多。

這也使得對多個(gè)物體同時(shí)構(gòu)建高分辨率圖像成為可能。Sleasman和同事認(rèn)為：“從這個(gè)意義上講，這項(xiàng)孔徑技術(shù)能同時(shí)探測場景中的多個(gè)空間信息，并對每個(gè)位置多次探查。”目前來講，實(shí)驗(yàn)結(jié)果令人印象深刻。

該團(tuán)隊(duì)展示了這一嶄新的成像技術(shù)除了擁有以上所描述的各種優(yōu)點(diǎn)之外，還可以生成和傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)一樣高質(zhì)量的圖像。同時(shí)，用途廣泛且易于控制的動(dòng)態(tài)超表面也在傳統(tǒng)方法中被大范圍使用。Sleasman和同事表示：“無論是2D還是3D圖像，質(zhì)量都非常的好。”

最關(guān)鍵的是這項(xiàng)技術(shù)的費(fèi)用十分的低，這使得很多可能的應(yīng)用場景都有了實(shí)現(xiàn)的可能。按照Sleasman和同事們所說，“動(dòng)態(tài)超表面孔徑技術(shù)時(shí)刻準(zhǔn)備著對整個(gè)微波感知領(lǐng)域做出重要的貢獻(xiàn)。”