물리학

지뢰를 탐지하는 데 사용되는 레이더 장치는 이러한 물체가 일반적으로 묻혀 있는 깊이에서 특징을 구별하는 데 어려움을 겪으며, 이로 인해 오탐이 발생하여 시간이 낭비될 수 있습니다. 이제 연구자들은 이전에 가능했던 것보다 더 큰 깊이에서 더 작은 물체를 확인할 수 있는 레이더 방법에 대한 개념 증명을 시연했습니다[1]. 연구원들은 그들의 기술이 현재 기술로 접근할 수 있는 몇 센티미터보다 훨씬 더 깊은 지하 몇 미터에 묻혀 있는 지뢰를 탐지할 수 있다고 말합니다. 고고학자들은 새로운 방법을 사용하여 매장된 유물을 찾을 수도 있습니다.

레이더 시스템은 물체에 부딪혀 장치로 다시 반사될 수 있는 일련의 짧은 전파 펄스를 보냅니다. 장치는 반사파를 사용하여 물체의 크기와 거리를 결정합니다. 펄스 경로에 두 개의 물체가 있는 경우 장치는 반사된 전파에서 두 개의 뚜렷한 피크를 감지하면 두 물체를 모두 확인할 수 있습니다.

서로 가까이 있는 물체를 식별하는 레이더의 성능을 높이기 위해 펄스를 단축할 수 있습니다. 펄스의 길이를 줄이려면 대역폭을 늘려야 하며, 이는 펄스를 만들기 위해 합쳐지는 주파수의 확산입니다. 일반적으로 펄스는 더 높은 주파수의 파동을 추가하여 단축되지만 이러한 주파수를 추가하면 단점이 있습니다. 캘리포니아 채프먼 대학교의 레이더 과학자인 존 하웰(John Howell)은 “거의 모든 물질 매체는 주파수가 증가함에 따라 더욱 불투명해집니다.”라고 말합니다. 이렇게 증가하는 불투명성은 고주파수를 포함할 때 탐색할 수 있는 깊이를 제한합니다. 따라서 더 먼 거리에서 감도를 높이려면 레이더 사용자는 더 긴 펄스를 사용하여 분해능을 희생해야 합니다.

이러한 한계를 극복하기 위해 Howell과 그의 동료들은 삼각형의 최고점과 최저점, 그리고 평면 세그먼트를 포함하도록 잘린 추가 최고점과 최저점을 갖춘 일련의 지그재그처럼 보이는 레이더 파형을 설계했습니다. 경사진 부분은 서로 다른 반사파 사이의 간섭에 매우 민감한 반면, 평평한 부분은 그러한 간섭에 둔감합니다.

팀은 맨 끝에서 200나노초 길이의 신호의 두 가지 버전, 즉 직접 버전과 몇 나노초 지연된 버전을 생성하도록 배열된 동축 케이블을 통해 이 파형을 전송하여 테스트했습니다. 오실로스코프는 두 신호의 간섭을 감지했는데, 이는 인접한 두 물체에서 예상되는 반사를 나타냅니다.

결합된 신호에는 실질적으로 변경된 일부 섹션과 변경되지 않은 일부 섹션이 포함되어 있습니다. 이러한 "변화 없음" 영역은 연구원들이 펄스 길이보다 짧은 거리에서 발생하고 두 반사 사이의 간섭으로 인해 유발된 변화를 감지할 수 있는 기준점 역할을 했습니다. 이 정보를 사용하여 팀은 다른 방법으로 가능한 것보다 수만 배 더 짧은 두 가상 객체 사이의 분리 거리를 추론했습니다.

이 개념 증명은 이 방법이 상당한 개선을 제공해야 함을 의미한다고 Howell은 말했습니다. “지뢰를 볼 수 있을 만큼 해상도가 충분한 레이더는 땅속 몇 cm까지만 탐사할 수 있습니다. 이제 우리는 1센티미터 미만의 해상도를 확보하고 지하 수 미터를 탐사할 수 있습니다.” 이러한 개선을 통해 고고학자들은 작고 묻혀 있는 물체를 찾을 수도 있습니다. 현재는 큰 벽이나 빈 공간만 발견할 수 있습니다. 또한 해양학자들이 현재 레이더 시스템으로는 불가능한 해저 지도를 작성하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Howell과 그의 동료들이 보고한 해상도 증가는 이전의 것보다 "인상적이고 흥미진진한 규모"라고 오스트리아 인스부르크 대학에서 양자 레이더를 연구하고 있는 Stefan Frick은 말했습니다. 프랑스 리모주 대학교의 레이더 기술 전문가인 Thomas Fromenteze도 같은 결론에 도달했습니다. "해상도 제한은 레이더 이미징의 상당한 하드웨어 제한을 나타냅니다."라고 그는 말했습니다. 새로운 연구는 초해상도 방법 개발에 도움이 될 수 있습니다.