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El material innovador y de bajo coste que revolucionará las imágenes de radar

El SAR es empleado para captar imágenes de satélite de la Tierra, pero es caro, lo que limita su uso a los gobiernos. Este nuevo metamaterial ofrece un sistema de la misma calidad y mucho más barato

  • Miércoles, 22 de marzo de 2017
  • Por Emerging Technology From the arXiv
  • Traducido por Teresa Woods

El radar de apertura sintética (SAR, por sus siglas en inglés) es una increíble técnica de imágenes que genera fotos en 2D y 3D de alta resolución a partir de reflejos de radar. Puesto que depende de ondas de radio o microondas en lugar de luz visible, puede ver a través de la niebla, las nubes y a veces incluso paredes. Por ese motivo, se ha convertido en la técnica por excelencia para la teleobservación de la Tierra, el cribado de seguridad y el espionaje nacional.

Pero tiene un problema. Los sistemas de radar de apertura sintética tienden a ser grandes, consumir mucha energía y ser complejos cuando incluyen mecanismos de dirección. Todo eso también aumenta su coste. Por eso, el uso del SAR se limita organizaciones militares y gubernamentales que puede asumir ese coste.

Así que cualquier estrategia para hacerlos más pequeños, baratos y eficientes sería enormamente importante.

Hoy, el investigador de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte (EEUU) Timothy Sleasman y varios compañeros presentan un sistema así. Su SAR está hecho de una nueva sustancia exótica, un metamaterial, que lo hace más flexible, más eficiente y más barato que cualquier otro desarrollado hasta la fecha, pero mantiene la misma calidad de imágenes que los SAR tradicionales.

Los sistemas de radar generan imágenes al emitir una serie de ondas de radio impulsadas y después regrabando la señal reflejada por el entorno. La resolución de esta técnica está limitada por el tamaño del receptor. Una manera de captar un mayor número de las ondas que vuelven es emplear un disco reflectante con una área de superficie mayor que un antena simple. Esto aumenta la resolución del radar.

Pero durante la década de 1950, los ingenieros aeronáuticos estadounidenses se dieron cuenta de que existía otra manera de mejorar el proceso de la recopilación de señales: desplazar la antena mientras recibe señales.

En este escenario, la antena se encuentra a bordo de un avión o una nave espacial. Emite un impulso de radio que se dispersa y es reflejado por un abanico de objetos en tierra. La señal reflejada vuelve a la antena, que se ha desplazado. La distancia que recorre durante este tiempo en efecto aumenta el tamaño de la apertura receptora y por tanto la resolución del sistema.

Por supuesto, tiene que producirse un potente procesamiento de señales para procesar la señal cuando vuelve para generar imágenes en 2D y 3D, pero actualmente esto ya es relativamente sencillo. El resultado es un SAR dinámico con una resolución mucho más alta que la de una antena estacionaria.

Esta técnica ha sido significativamente mejorada y afinada desde la década de 1950. Por ejemplo, la resolución puede ser aumentada aún más mediante la suspensión cardán del transmisor mientras se desplaza para dirigirse a un objetivo específico. Otra técnica para la orientación de haces consiste en emplear un conjunto de antenas que produce impulsos que interfieren de una manera que dirige la señal en una dirección específica.

Pero esas técnicas consumen mucha energía y son mecánicamente complejas y caras.

Aquí entran Sleasman, su equipo y su metamaterial. Se trata de una estructura repetitiva hecha de diminutos componentes electrónicos que interactuan con un campo electromagnético. Juntos, estos componentes proporcionan al material exóticas propiedades generales que de otra manera jamás se encuentran en la naturaleza.

Varios grupos han desarrollado metamateriales que doblan ondas electromagnéticas, incluida la luz visible de maneras extrañas. Hasta han hecho capas de invisibilidad. (De hecho, el líder de este equipo, David Smith, hizo la primera capa de invisibilidad de este tipo a principios de siglo).

Su radar de apertura consiste en una estrecha franja de circuitos electrónicos impresos y resonantes que operan en las frecuencias de microondas. Cada resonador recibe y transmite a una frecuencia específica que puede ser variada al afinar sus propiedades electrónicas, como un sintonizador de radio. "El patrón de radiación generado por esta apertura es, por tanto, la superposición de la radiación de cada radiador individual", afirma el equipo de Sleasman.

El equipo llama esta antena metasuperficie dinámica. Es importante porque al sintonizar cada emisor de radio de manera apropiada, el equipo puede controlar el patrón de la radiación con precisión. Esto les confiere el control sobre la dirección de los haces, su forma y, dentro de determinados límites, su frecuencia.

Eso le proporciona un amplio abanico de capacidades impresionantes. "La flexibilidad que ofrecen las metasuperficies dinámicas permite dirigir haces para aumentar la fuerza de la señal, generar vacíos en el patrón para evitar las interferencias intencionadas, sondear una gran región de interés con una haz amplia o incluso interrogar múltiples posiciones al mismo tiempo con una colección de haces", explica el grupo.

Es un importante paso hacia delante, pero el equipo de Sleasman va más allá con una forma totalmente nueva de SAR. Las metasuperficies dinámicas permiten al equipo de Sleasman producir una serie de impulsos que varían de dirección al azar. Así que mientras la metasuperficie se desplaza por el espacio, atrapa los reflejos de esos haces aleatorios.

La gran ventaja de esta técnica es cómo procesa las señales. Puesto que varían en dirección al azar, cubren un área mucho más amplia que un haz convencional, que apunta en una única dirección.

Con un único haz, es posible generar imágenes de resolución alta de un sujeto individual. Pero con una serie de haces aleatorios se pueden generar imágenes de alta resolución de muchos sujetos al mismo tiempo. Incluso es posible reprocesar los datos para centrarse en un nuevo elemento. "En este sentido, la apertura sondea muchas partes del contenido espacial de la escena e investiga cada ubicación múltiples veces", señala el equipo de Sleasman.

La parte principal de su trabajo consistió en desarrollar este dispositivo y después caracterizar su rendimiento. Y los resultados son impresionantes.

El equipo demuestra que la nueva técnica produce imágenes igual de buenas que las técnicas tradicionales de apertura sintética, pero con los beneficios añadidos descritos arriba. Además, la metasuperficie dinámica es tan versatil y fácil de controlar que puede ser empleada de maneras tradicionales también. El equipo continúa: "Demostramos imágenes de alta resolución tanto en 2D como en 3D".

Es un trabajo impresionante que podría tener implicaciones importantes en los usos del SAR. Evidentemente, resulta útil disponer de mejores técnicas de imágenes de alta resolución. Pero la mayor ventaja probablemente sea su coste. Las metasuperficies dinámicas pueden ser impresas en masa a bajo coste.

De repente, los SAR han pasado a ser útiles para un amplio abanico de aplicaciones. Como lo expresó el equipo de Sleasman: "La apertura de metasuperficies dinámicas puede generar importantes aportaciones en todo el campo de detección de microondas".

Ref: arxiv.org/abs/1703.00072: Experimental Synthetic Aperture Radar with Dynamic Metasurfaces

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