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Jul 11, 2023

Die zum Aufspüren von Landminen verwendeten Radargeräte haben in den Tiefen, in denen diese Objekte typischerweise vergraben sind, Schwierigkeiten, Merkmale zu unterscheiden, was zu Fehlalarmen und somit zu Zeitverschwendung führen kann. Jetzt haben Forscher einen Machbarkeitsnachweis für ein Radarverfahren erbracht, das kleinere Objekte in größeren Tiefen auflösen kann, als dies bisher möglich war [1]. Die Forscher sagen, dass ihre Technik die Erkennung von Landminen ermöglichen könnte, die einige Meter unter der Erde vergraben sind, viel tiefer als die wenigen Zentimeter, die mit der aktuellen Technologie zugänglich sind. Archäologen könnten die neue Methode auch nutzen, um vergrabene Artefakte zu finden.

Ein Radarsystem sendet eine Reihe kurzer Funkwellenimpulse aus, die auf ein Objekt treffen und zum Gerät zurückreflektiert werden können. Das Gerät nutzt die reflektierten Wellen, um die Größe und Entfernung des Objekts zu bestimmen. Befinden sich zwei Objekte im Weg der Impulse, kann das Gerät beide Objekte auflösen, wenn es zwei unterschiedliche Spitzen in den reflektierten Radiowellen erkennt.

Um die Leistung eines Radars zur Auflösung nahe beieinander liegender Objekte zu erhöhen, können die Impulse verkürzt werden. Um die Länge eines Impulses zu verkürzen, muss seine Bandbreite erhöht werden. Dabei handelt es sich um die Frequenzverteilung, die zusammen den Impuls ergibt. Typischerweise werden Impulse durch das Hinzufügen von Wellen höherer Frequenz verkürzt, aber das Hinzufügen dieser Frequenzen hat einen Nachteil. „Fast jedes materielle Medium wird mit zunehmender Frequenz undurchsichtiger“, sagt John Howell, Radarwissenschaftler an der Chapman University in Kalifornien. Diese zunehmende Undurchsichtigkeit schränkt die Untersuchungstiefe bei hohen Frequenzen ein. Um die Empfindlichkeit auf größere Entfernungen zu erhöhen, müssen Radarnutzer daher längere Impulse verwenden und damit Einbußen bei der Auflösung hinnehmen.

Um diese Einschränkung zu überwinden, entwarfen Howell und seine Kollegen eine Radarwellenform, die wie eine Reihe von Zickzacklinien aussieht, mit einem dreieckigen Gipfel und Tiefpunkt und einem zusätzlichen Gipfel und Tiefpunkt, die abgeschnitten sind, sodass sie flache Segmente enthalten. Die geneigten Abschnitte reagieren sehr empfindlich auf Interferenzen zwischen verschiedenen reflektierten Wellen, wohingegen die flachen Abschnitte unempfindlich gegenüber solchen Interferenzen sind.

Das Team testete diese Wellenform, indem es sie über ein Koaxialkabel schickte, das so angeordnet war, dass am anderen Ende zwei Versionen des 200 Nanosekunden langen Signals erzeugt wurden: die direkte Version und eine um mehrere Nanosekunden verzögerte Version. Ein Oszilloskop erkannte die Interferenz der beiden Signale, die die erwarteten Reflexionen zweier benachbarter Objekte darstellten.

Das kombinierte Signal enthielt einige Abschnitte, die wesentlich geändert wurden, und andere, die unverändert blieben. Diese „keine Veränderung“-Regionen fungierten als Referenzpunkte, die es den Forschern ermöglichten, Veränderungen zu erkennen, die über Entfernungen aufgetreten wären, die kürzer als die Pulslänge waren und die durch Interferenzen zwischen den beiden Reflexionen induziert wurden. Anhand dieser Informationen leitete das Team die Trennungsabstände zwischen den beiden virtuellen Objekten ab, die zehntausende Male kürzer waren, als dies sonst möglich wäre.

Dieser Proof of Concept deutet darauf hin, dass die Methode erhebliche Verbesserungen bringen dürfte, sagt Howell. „Radargeräte mit ausreichender Auflösung, um eine Mine zu erkennen, können nur wenige Zentimeter tief in den Boden vordringen. Jetzt können wir eine Auflösung im Subzentimeterbereich erreichen und viele Meter unter der Erde erforschen.“ Diese Verbesserung könnte es Archäologen auch ermöglichen, winzige, vergrabene Objekte zu finden – derzeit können sie nur große Wände oder Hohlräume erkennen. Es könnte Ozeanographen auch dabei helfen, den Meeresboden zu kartieren, was mit aktuellen Radarsystemen nicht möglich ist.

Die Auflösungssteigerung, von der Howell und seine Kollegen berichten, übertrifft die bisherigen „um Größenordnungen, was beeindruckend und aufregend ist“, sagt Stefan Frick, ein Quantenphysiker, der an der Universität Innsbruck, Österreich, am Quantenradar arbeitet. Zum gleichen Schluss kommt Thomas Fromenteze, Spezialist für Radartechnologien an der Universität Limoges, Frankreich. „Auflösungsgrenzen stellen eine erhebliche Hardware-Einschränkung bei der Radarbildgebung dar“, sagt er, und die neue Arbeit könnte der Entwicklung von Superauflösungsmethoden zugute kommen.

Sowohl Frick als auch Fromenteze bezweifeln jedoch, dass die neue Technik unter realen Bedingungen funktionieren wird. Frick weist außerdem darauf hin, dass diese neue Technik zwar die vertikale Auflösung verbessert, die Empfindlichkeit jedoch nicht beeinträchtigt. „Ein solches System kann keine Objekte erkennen, die ein herkömmliches Radarsystem nicht erkennen könnte“, sagt er.

Andrew Jordan, Teammitglied der Chapman University, erkennt diese Bedenken an. Der Test sei der erste einer Reihe von Experimenten, die nötig seien, um das Konzept zu beweisen, sagt er. Das Team arbeitet derzeit daran, die Technik anhand von Wellen zu demonstrieren, die sich durch die Luft ausbreiten. Als Reaktion auf Fricks Besorgnis über die Empfindlichkeit weist Jordan darauf hin, dass aktuelle Systeme zur Landminenerkennung nicht zwischen Steinen und Sprengladungen unterscheiden können. Und obwohl die neue Technik möglicherweise keine zusätzlichen Objekte findet, sollte die verbesserte vertikale Auflösung feine Details des Objekts zusammen mit seiner Tiefe liefern und es Benutzern ermöglichen, das Stein-oder-Landminen-Problem zu lösen.

–Katherine Wright

Katherine Wright ist stellvertretende Herausgeberin des Physics Magazine.

John C. Howell, Andrew N. Jordan, Barbara Šoda und Achim Kempf

Physik. Rev. Lett. 131, 053803 (2023)

Veröffentlicht am 2. August 2023

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