Integrierter THz-Emitter zur präzisen Erkennung rotierender Ziele

Sie wissen es vielleicht nicht, aber der Doppler-Effekt ist überall in unserem Leben, von der Verfolgung der Geschwindigkeit von Autos mit Radar bis zur Ortung von Satelliten am Himmel. Es geht darum, wie Wellen ihre Frequenz ändern, wenn eine Quelle (wie ein Radarsignal) und ein Detektor relativ zueinander in Bewegung sind. Herkömmliche Radarsysteme stoßen jedoch auf eine Hürde, wenn sie versuchen, Objekte zu erkennen, die sich im rechten Winkel zu ihren Radarsignalen bewegen. Diese Einschränkung hat Forscher dazu veranlasst, einen völlig neuen Ansatz zu erkunden.

Stellen Sie sich ein Radarsystem vor, das nicht nur auf linearen Wellen basiert, sondern stattdessen spiralförmige elektromagnetische Wellen mit orbitalem Drehimpuls (OAM) nutzt. Diese speziellen „Wirbel“-Wellen haben eine spiralförmige Drehung und führen zu einem charakteristischen Rotations-Doppler-Effekt, wenn sie auf ein rotierendes Objekt treffen.

Um die Identifizierung und Erkennung dieser Rotations-Doppler-Effekte zu verbessern, haben Forscher der University of Shanghai for Science and Technology (USST) Terahertz-Wellen (THz) genutzt, indem sie einen integrierten THz-Wirbelstrahlemitter entwickelt haben berichtet in Fortgeschrittene Photonik.

Laut USST-Professor Yiming Zhu, korrespondierender Autor des Artikels, „stellt diese Studie nach unserem besten Wissen die erste Demonstration eines integrierten THz-Wirbelstrahlemitters dar, der speziell für die Erkennung rotierender Ziele entwickelt wurde.“

THz-Wellen eignen sich hervorragend für die hochauflösende Radarbildgebung. In Bezug auf die Frequenz liegen sie zwischen Mikrowellen und Infrarotwellen und verfügen über die einzigartige Fähigkeit, verschiedene Materialien zu durchdringen und dabei das Risiko einer Beschädigung minimal zu halten. Doch obwohl THz-Wellen vielversprechend sind, stehen sie vor eigenen Herausforderungen, wie etwa geringer Effizienz und Instabilitätsproblemen.

Drehzahl bestimmen

Das Forschungsteam untersuchte Möglichkeiten für praktische und abstimmbare THz-Wirbelemitter zusammen mit entsprechenden Detektionsschemata und entwickelte einen neuen Ansatz, der einen integrierten THz-Emitter und Wirbelstrahlen mit positiven und negativen Ladungen kombiniert. Durch Manipulation der Frequenz dieser Wirbelstrahlen können sie Radarsignale erzeugen, die die Geschwindigkeit eines rotierenden Objekts genau messen. Dieser Durchbruch bietet eine Möglichkeit, die Rotationsgeschwindigkeit eines Objekts mit bemerkenswerter Präzision und einer maximalen Fehlerquote von nur etwa 2 Prozent zu bestimmen.

Ihr Design beinhaltet die Manipulation der Frequenz, um auf unterschiedliche Resonanzen im Hohlraum des Strahlemitters zuzugreifen und so die Erzeugung von Wirbelstrahlen mit ±1 topologischen Ladungen zu ermöglichen. Diese Wirbelstrahlen beleuchten anschließend ein rotierendes Objekt und das resultierende Echo der Lichtwellen kann direkt von einer linear polarisierten Antenne empfangen werden. Durch die effektive Identifizierung und Erkennung des Rotations-Doppler-Effekts im Frequenzspektrum kann die Rotationsgeschwindigkeit des Objekts genau quantifiziert werden.

Berichten zufolge hat das Team auch ein kniffliges Problem im Zusammenhang mit der Polarisation gelöst, wodurch sich dieses Radarsystem hervorragend für die Erkennung von Rotationen im THz-Frequenzbereich eignet.

Diese innovative Radartechnologie eröffnet spannende Möglichkeiten für ein breites Anwendungsspektrum. Es birgt nicht nur das Potenzial, die Radarzielerkennung zu verbessern, sondern könnte auch neue Gegenmaßnahmensysteme für die taktische militärische Verteidigung einführen. Darüber hinaus ist es kostengünstig und skalierbar, was bedeutet, dass wir diese Spitzentechnologie möglicherweise früher einsetzen werden, als wir denken.