Всем известно, что радары используются для обнаружения и отслеживания самолетов, навигации кораблей в грозу и даже для наблюдения за космической пылью. Но теперь появилась новая разработка, которая позволяет создавать радары гораздо меньшего масштаба, например, для изучения человеческого тела.
Команда ученых из Сиднейского университета опубликовала исследование, в котором описывается усовершенствованный радар, который может использоваться в масштабах сантиметров. Данное устройство называется усовершенствованным фотонным радаром. Прибор со сверхвысоким разрешением настолько чувствителен, что может определять местоположение объекта, его скорость и/или угол наклона в сантиметрах. Новый усовершенствованный фотонный радар может быть использован в качестве монитора жизненно важных показателей дыхания и сердечного ритма или для отслеживания перемещений в больницах.
Радары теперь можно использовать в качестве мониторов здоровья. Ivcandy/iStock
В случае с дыханием радар может постоянно определять, как поднимается грудная клетка человека. Обычный метод контроля - это крепление монитора на груди человека. Однако в случае с пострадавшими от ожогов или для людей с чувствительной кожей это непрактично. Поэтому новая технология может предложить лучшую альтернативу.
Профессор Бенджамин Эгглтон, главный исследователь этого проекта и директор Нано-института Сиднейского университета, сказал: "Наше изобретение представляет собой прорыв в использовании фотоники. Я в восторге от потенциальных возможностей нетрадиционного применения этой технологии, касающихся перемещений человека". Важными параметрами, которые имеют значение при создании радарной системы, являются частота радара и полоса пропускания, в которой находится сигнал радара".
Радар работает, посылая радиоволну и отслеживая, когда она отражается от объекта и возвращается к источнику. Разница во времени между импульсом и возвращением используется для определения расстояния до объекта. Именно так авиадиспетчеры управляют прибывающими рейсами, а военные отслеживают суда в воздухе и на море.
"Для этого традиционного применения частота относительно низкая - около 500 мегагерц. Потому что все, что вам нужно знать: большой это самолет или маленький?" - говорит Эгглтон.
Понимание размера объекта может быть достаточным для авиадиспетчеров, но если радар настроен на более высокие частоты, он может дать больше информации.
"Если вы сможете увеличить частоту радара и перейти на более высокие частоты - десятки гигагерц, (например на 40 гигагерц), то вы сможете увеличить полосу пропускания сигнала. Такой радар имеет очень высокое пространственное разрешение. Так что вы не только сможете максимально точно определить координаты объекта, но и с невероятной точностью нанести на схему его форму ", - объясняет Эгглтон.
Радар с высокой пропускной способностью - это уже существующая технология, но до сих пор она была практически неосуществима из-за трудностей в реализации и очень высоких цен. Исследовательская группа обошла это препятствие, используя фотонику - физическую науку о световых волнах.
"Мы используем фотонный трюк, по сути, для создания радара с высокой пропускной способностью, не требующего высокоскоростной электроники", - говорит Эгглтон. "И в этом заключается волшебство".
Передовая фотонная радарная система отличается от обычного радара тем, что с помощью фотоники устройство может передавать и принимать импульсы в гораздо более широком диапазоне частот, не требуя при этом современной сверхмощной электроники. Это позволяет усовершенствованному фотонному радару генерировать изображения более высокого разрешения в более простом и потенциально гораздо более дешевом формате и видеть объекты с разрешением до 1,3 сантиметра.
На следующем этапе команда планирует протестировать свою систему на тростниковых жабах, а затем перейти к испытаниям на людях. И как только будет разработан улучшенный прототип, по словам исследователей, его можно будет уменьшить и встроить в смартфон в качестве фотонного чипа.
Схематическая архитектура предлагаемой фотонной широкополосной ступенчато-частотной (P-WSF) радарной системы, управляемой МГц-скоростной электроникой для определения дальности до цели и зондирования. Фотонная радарная система состоит из нескольких ключевых строительных блоков, включая генератор радарного сигнала на основе фотоники, блок демодуляции фотонного сигнала, конвертеры O/E и E/O и микроволновые антенны. Электронный генератор колебаний приводит в действие генератор сигналов на базе фотоники для создания ступенчато-частотных (SF) сигналов в оптической области, центральная частота которых постепенно смещается с фиксированным шагом. Посредством преобразования O/E генерируются микроволновые сигналы SF, которые затем передаются с помощью микроволновой антенны. Возвращенные радиолокационные сигналы, собранные приемной антенной, смешиваются с фотонным контрольным сигналом, создавая демодулированный электрический сигнал в базовой полосе. Информация о расстоянии и скорости интересующих объектов, таких как беспилотные летательные аппараты, может быть извлечена из демодулированного сигнала с помощью низкоскоростной цифровой обработки. O/E - преобразование оптического сигнала в электрический; E/O - преобразование электрического сигнала в оптический; DSP - цифровая обработка сигнала.
Источники:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/lpor.202100549
