Neue Radarforschung überwindet den fast hundertjährigen Kompromiss zwischen Wellenlänge und Entfernungsauflösung

Neue Interferenzradarfunktionen, die von einem Forscherteam der Chapman University und anderen Institutionen eingesetzt werden, verbessern die Entfernungsauflösung zwischen Objekten mithilfe von Radarwellen. Die Ergebnisse können wichtige Auswirkungen auf das Militär, das Bauwesen, die Archäologie, die Mineralogie und viele andere Bereiche von Radaranwendungen haben.

Dieses erste Proof-of-Principle-Experiment eröffnet ein neues Forschungsgebiet mit vielen möglichen Anwendungen, die für die milliardenschwere Radarindustrie disruptiv sein können. Es gibt viele neue Wege, die sowohl in der Theorie als auch im Experiment beschritten werden können.

Die Entdeckung befasst sich mit einem neun Jahrzehnte alten Problem, das von Wissenschaftlern und Ingenieuren verlangt, Details und Auflösung zugunsten der Beobachtungsentfernung zu opfern – unter Wasser, unter der Erde und in der Luft. Die vorherige Grenze beschränkte den geschätzten Abstand zwischen Objekten auf ein Viertel der Wellenlänge von Radiowellen; Diese Technologie verbessert die Entfernungsauflösung zwischen Objekten mithilfe von Radarwellen.

„Wir glauben, dass diese Arbeit eine Vielzahl neuer Anwendungen eröffnen und bestehende Technologien verbessern wird“, sagt John Howell, der Hauptautor des heute in veröffentlichten Artikels Briefe zur körperlichen Untersuchung. „Die Möglichkeit einer effizienten humanitären Minenräumung oder der Durchführung hochauflösender, nicht-invasiver medizinischer Sensorik ist sehr motivierend“, fügt er hinzu.

Howell und ein Forscherteam vom Institute for Quantum Studies der Chapman University, der Hebrew University of Jerusalem, der University of Rochester, dem Perimeter Institute und der University of Waterloo haben eine Entfernungsauflösung nachgewiesen, die mehr als 100-mal besser ist als der seit langem angenommene Grenzwert . Dieses Ergebnis durchbricht den Kompromiss zwischen Auflösung und Wellenlänge und ermöglicht es den Betreibern, lange Wellenlängen zu verwenden und nun über eine hohe räumliche Auflösung zu verfügen.

Durch den Einsatz von Funktionen mit sowohl steilen als auch nullzeitlichen Gradienten zeigten die Forscher, dass es möglich war, extrem kleine Änderungen in der Wellenform zu messen, um den Abstand zwischen zwei Objekten präzise vorherzusagen und gleichzeitig robust gegenüber Absorptionsverlusten zu sein. Für einen Archäologen bedeutet dies die Möglichkeit, eine tief unter der Erde liegende Münze von einer Tonscherbe zu unterscheiden.

Die bahnbrechende Idee basiert auf der Überlagerung speziell gestalteter Wellenformen. Wenn eine Radiowelle von zwei verschiedenen Oberflächen reflektiert wird, addieren sich die reflektierten Radiowellen zu einer neuen Radiowelle. Das Forschungsteam nutzt speziell entwickelte Impulse, um eine neue Art von überlagerten Impulsen zu erzeugen. Die zusammengesetzte Welle verfügt über einzigartige Subwellenlängenmerkmale, die zur Vorhersage der Entfernung zwischen den Objekten verwendet werden können.

„In der Funktechnik ist Interferenz ein Schimpfwort und wird als schädlicher Effekt betrachtet. Hier stellen wir diese Einstellung auf den Kopf und nutzen Welleninterferenzeffekte, um die seit langem bestehende Grenze der Radarreichweite um Größenordnungen zu durchbrechen“, sagt Andrew Jordan, Direktor für Quantenstudien an der Chapman University. „Bei der Radarfernerkundung wird nur ein kleiner Teil der elektromagnetischen Strahlung zum Detektor zurückgeführt. Die von uns entwickelten maßgeschneiderten Wellenformen haben die wichtige Eigenschaft, selbstreferenzierend zu sein, sodass Eigenschaften des Ziels von Signalverlusten unterschieden werden können.“

Howell fügt hinzu: „Wir arbeiten jetzt daran zu zeigen, dass es möglich ist, nicht nur den Abstand zwischen zwei Objekten, sondern zwischen vielen Objekten zu messen oder eine detaillierte Charakterisierung von Oberflächen durchzuführen.“