КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер проекта 20-19-00491

НазваниеВращающиеся мета-атомы и метаматериалы для задач радиолокации

Руководитель Филонов Дмитрий Сергеевич, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)" , г Москва

Конкурс №45 - Конкурс 2020 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-706 - Радио- и телевизионные системы, радиолокация и связь

Ключевые слова Рассеяние электромагнитных волн, радиофизика, метаматериалы, радиочастотные устройства, резонаторы

Код ГРНТИ47.45.99

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Радиолокация является одним из наиболее часто используемых методов для определения положения объекта. Радиолокация применяется во многих задачах, в том числе военных и гражданских, целью которых является получение точного местоположения. Наружные навигационные системы обычно используют метод спутниковой триангуляции, например, GPS / ГЛОНАСС (чем больше спутников используется, тем точнее будет конечный результат), в результате чего становится возможным обеспечить точность определения положения порядка сантиметра. Несмотря на то, что данный подход уже успел стать надежной и широко применяемой технологией, он может столкнуться с серьезными проблемами в некоторых случаях. Например, в определенных ситуациях спутниковая связь может быть заблокирована, что приведет к масштабному выходу из строя навигационных систем. Кроме того, существует нерешенная проблема ориентирования в закрытых помещениях, например, внутри зданий, торговых центров, пещер и т.д. В таких случаях спутники не находятся на линии прямой видимости и не могут найти объект. В этих ситуациях должны быть развернуты локальные навигационные системы. И наконец, не менее важным является тот факт, что спутниковая навигация требует предоставления системе активной обратной связи, которая генерируется конечным пользователем. Это означает, что локальное устройство (которому хотелось бы получить свое местоположение) должно генерировать активный сигнал, что значительно увеличивает энергопотребление его батареи. Данный аспект также может быть проблемой в случае ограниченных энергетических ресурсов (например, длительного пребывания в спасательной операции). Резюмируя вышесказанное, существует необходимость разработать новые радиолокационные системы. В рамках данного исследования мы предлагаем новый подход к проблеме определения местоположения объекта, реализованного на базе вращающейся структуры из метаматериала. Хорошо известно, что метаматериалы способны изменять распространение и рассеяние электромагнитных волн по заранее рассчитанному правилу. Опираясь на данные свойства, мы настроены на разработку пассивной системы (рассеивателя) с заранее заданной диаграммой рассеяния, которая может быть распознана с помощью методов триангуляции. Последующая цель исследования состоит в разработке протокола радиолокации, в котором несколько базовых станций выполняют дистанционное измерение рассеяния от объекта, сопоставляют результаты и предоставляют точную координату конечному пользователю (пользователь может находиться в режиме ожидания для уменьшения энергопотребления). В данном сценарии базовые станции не ограничены ресурсами и могут излучать достаточное количество энергии, поддерживая линии беспроводной связи и выполняя интенсивную постобработку. Программа исследований основывается на изучении мета-атомов и их массивов (метаматериалов) для применений в области радиолокации. Для решения этой крайне важной проблемы будет предпринято несколько шагов. Первый из них сводится к увеличению сечения рассеяния структур на основе метаматериалов для улучшения их видимости зондирующей базовой станцией (в данном случае РЛС). Стоит отметить, что концепция метаматериалов позволяет интерпретировать свойства среды как возможные степени свободы в разработке электромагнитных систем. Тогда как стандартные подходы к проектированию антенн основываются на изменении и оптимизации определенных геометрических характеристик, рассеиватели из метаматериалов могут изменяться как геометрически, так и при помощи искусственно сформированных диэлектрической и магнитной проницаемостей составляющих элементов. В результате сочетания тщательно подобранных форм и разработанных эффективных свойств материала, сечение рассеяния может значительно изменится (например увеличится). В данном случае одна из основных задач заключается в уменьшении физических размеров рассеивателей при одновременном сохранении большого сечения рассеяния. Сильно отражающие объекты полезны для выполнения задач радиолокации, однако фильтрация откликов от небольших структур из общего фона рассеяния от окружающих объектов остается проблемой. Одним из возможных решений данной задачи может послужить изменение сечения рассеяния в зависимости от времени. Предлагаемое нами решение заключается в повороте объектов с асимметричной диаграммой рассеяния. В результате, эффективность рассеяния изменяется с течением времени, и отклик от объекта может быть отделен от шума окружающей среды. Такой подход к решению проблемы используется в прикладных морских радиолокационных задачах и очень схож с методом радиочастотной идентификации (RFID). Отличия нашего метода заключается в использовании вращающихся рассеивателей, состоящих из метаматериалов и обладающих чрезвычайно высокими свойствами асимметричного рассеяния. Электромагнитное взаимодействие вращающимися метаматериалами является принципиально новой научной проблемой по сравнению с классическими задачами рассеяния на статических объектах. Тщательный анализ электромагнитного рассеяния на движущихся и, в частности, ускоряющихся (в нашем случае вращающихся) телах требует использования подходов, разработанных для общей теории относительности. Не смотря на то, что решение задачи рассеяния в общем случае является довольно сложным, можно сделать ряд допущений при условии нерелятивистских скоростей и ускорений. В данной работе мы будем использовать приближение медленно меняющихся систем (вращение много медленнее несущей частоты). В хорошем приближении, объекты находятся в состоянии полного покоя во время взаимодействия с падающим импульсом. Сбор статически рассеянных сигналов, полученных из нескольких пространственных положений цели, позволяет связать теоретические данные с экспериментальными - радиолокационные измерения обычно основаны на фазовых соотношениях между соседними импульсами, падающими на цель, или доплеровскими сдвигами в спектре отраженных волн. Анализ этих эффектов - это то самое место, где фундаментальная наука пересекается с прикладной. Резюмируя, мы остановимся на рассмотрении подробного фундаментального анализа электромагнитного рассеяния на вращающихся метаматериалах для нужд радиолокации в тех случаях, когда стандартные методы, такие как GPS, могут не работать.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---