Возможно, вы этого не осознаете, но эффект Доплера присутствует повсюду в нашей жизни, от отслеживания скорости автомобилей с помощью радара до определения местоположения спутников в небе. Все дело в том, как волны меняют свою частоту, когда источник (например, сигнал радара) и детектор находятся в движении относительно друг друга. Однако традиционные радиолокационные системы натыкаются на препятствие при попытке обнаружить объекты, движущиеся под прямым углом к их радиолокационным сигналам. Это ограничение побудило исследователей изучить совершенно новый подход.
Представьте себе радиолокационную систему, которая полагается не только на линейные волны, но вместо этого использует спиральные электромагнитные волны с орбитальным угловым моментом (OAM). Эти специальные «вихревые» волны имеют спиральное закручивание и создают характерный вращательный эффект Доплера, когда они сталкиваются с вращающимся объектом.
Чтобы улучшить идентификацию и обнаружение этих вращательных доплеровских эффектов, исследователи из Шанхайского университета науки и техники (USST) использовали терагерцовые (ТГц) волны, разработав встроенный излучатель вихревого пучка ТГц, как сообщается в Advanced Photonics.
По словам профессора USST Йиминга Чжу, автора-корреспондента статьи, «Насколько нам известно, это исследование представляет собой первую демонстрацию встроенного излучателя вихревого пучка ТГц, специально разработанного для обнаружения вращающихся целей».
ТГц-волны уникально подходят для получения радиолокационных изображений с высоким разрешением. По частоте они находятся между микроволнами и инфракрасными волнами и обладают уникальной способностью проникать в различные материалы с минимальным риском повреждения. Тем не менее, хотя ТГц-волны демонстрируют большие перспективы, они сталкиваются со своим собственным набором проблем, таких как низкая эффективность и нестабильность.
Точное определение скорости вращения
Исследуя возможности практичных и настраиваемых ТГц вихревых излучателей наряду с соответствующими схемами обнаружения, исследовательская группа разработала новый подход, сочетающий встроенный ТГц излучатель и вихревые пучки с положительным и отрицательным зарядами. Манипулируя частотой этих вихревых лучей, они могут генерировать радиолокационные сигналы, которые точно измеряют скорость вращающегося объекта. Этот прорыв предлагает способ точного определения скорости вращения объекта с поразительной точностью, с максимальной погрешностью всего около 2 процентов.
Их конструкция предполагает манипулирование частотой для доступа к различным резонансам в полости излучателя пучка, что позволяет генерировать вихревые пучки с топологическими зарядами ±1. Эти вихревые лучи впоследствии освещают вращающийся объект, и результирующее эхо световых волн может быть принято непосредственно линейно поляризованной антенной. Благодаря эффективной идентификации и обнаружению эффекта вращательного Доплера в пределах частотного спектра скорость вращения объекта может быть точно определена количественно.
Сообщается также, что команда преодолела сложную проблему, связанную с поляризацией, что делает эту радарную систему очень подходящей для обнаружения вращения в ТГц-диапазоне частот.
Эта инновационная радарная технология открывает захватывающие возможности для широкого спектра применений. Это не только обладает потенциалом для улучшения радиолокационного обнаружения целей, но и может привести к появлению новых систем противодействия для тактической военной обороны. Кроме того, она экономична и масштабируема, а это значит, что мы можем увидеть внедрение этой передовой технологии раньше, чем думаем.
More information: Jingya Xie et al, Integrated terahertz vortex beam emitter for rotating target detection, Advanced Photonics (2023). DOI: 10.1117/1.AP.5.6.066002
Journal information: Advanced Photonics
Provided by SPIE