Física

Los dispositivos de radar utilizados para detectar minas terrestres tienen problemas para distinguir características a las profundidades a las que normalmente están enterrados estos objetos, lo que puede dar lugar a falsos positivos y, por tanto, a una pérdida de tiempo. Ahora los investigadores han demostrado una prueba de concepto para un método de radar que puede detectar objetos más pequeños a mayores profundidades de lo que era posible anteriormente [1]. Los investigadores afirman que su técnica podría permitir la detección de minas terrestres enterradas a pocos metros bajo tierra, mucho más profundamente que los pocos centímetros accesibles con la tecnología actual. Los arqueólogos también podrían utilizar el nuevo método para encontrar artefactos enterrados.

Un sistema de radar envía una serie de pulsos cortos de ondas de radio que pueden encontrar un objeto y reflejarse en el dispositivo. El dispositivo utiliza las ondas reflejadas para determinar el tamaño y la distancia del objeto. Cuando hay dos objetos en la trayectoria de los pulsos, el dispositivo puede resolver ambos objetos si detecta dos picos distintos en las ondas de radio reflejadas.

Para aumentar la potencia de un radar para detectar objetos cercanos entre sí, se pueden acortar los pulsos. Reducir la longitud de un pulso requiere aumentar su ancho de banda, que es la dispersión de frecuencias que se suman para formar el pulso. Por lo general, los pulsos se acortan agregando ondas de frecuencia más alta, pero agregar esas frecuencias tiene una desventaja. "Casi todos los medios materiales se vuelven más opacos al aumentar la frecuencia", dice John Howell, científico de radar de la Universidad Chapman en California. Esta creciente opacidad limita las profundidades a las que se puede sondear al incluir altas frecuencias. Por tanto, para aumentar la sensibilidad a distancias más largas, los usuarios de radar deben emplear pulsos más largos y, por tanto, sacrificar la resolución.

Para superar esta limitación, Howell y sus colegas diseñaron una forma de onda de radar que parece una serie de zigzags, con un pico y un valle triangulares y un pico y un valle adicionales que están truncados para incluir segmentos planos. Los segmentos inclinados son muy sensibles a la interferencia entre diferentes ondas reflejadas, mientras que las secciones planas son insensibles a dicha interferencia.

El equipo probó esta forma de onda enviándola a través de un cable coaxial dispuesto para producir dos versiones de la señal de 200 nanosegundos de duración en el otro extremo: la versión directa y una versión retardada varios nanosegundos. Un osciloscopio detectó la interferencia de las dos señales, que representaban los reflejos esperados de dos objetos vecinos.

La señal combinada contenía algunas secciones que fueron sustancialmente cambiadas y otras que se mantuvieron sin cambios. Estas regiones "sin cambios" actuaron como puntos de referencia que permitieron a los investigadores detectar cambios que habrían ocurrido en distancias más cortas que la longitud del pulso y que fueron inducidos por la interferencia entre las dos reflexiones. Utilizando esta información, el equipo dedujo distancias de separación entre los dos objetos virtuales que eran decenas de miles de veces más cortas de lo que sería posible de otro modo.

Esta prueba de concepto indica que el método debería proporcionar mejoras significativas, afirma Howell. “Un radar con suficiente resolución para detectar una mina sólo puede sondear unos pocos centímetros de profundidad. Ahora podemos obtener una resolución subcentimétrica y explorar muchos metros bajo tierra”. Esta mejora también podría permitir a los arqueólogos encontrar objetos pequeños enterrados; actualmente, sólo pueden detectar grandes paredes o huecos. También podría ayudar a los oceanógrafos a mapear el fondo del océano, lo que no es posible con los sistemas de radar actuales.

El aumento de resolución que Howell y sus colegas informan supera a los anteriores "en órdenes de magnitud, lo cual es impresionante y emocionante", dice Stefan Frick, físico cuántico que trabaja en radar cuántico en la Universidad de Innsbruck, Austria. A la misma conclusión llega Thomas Fromenteze, especialista en tecnologías de radar de la Universidad de Limoges (Francia). "Los límites de resolución representan una limitación considerable del hardware en las imágenes de radar", afirma, y ​​el nuevo trabajo podría beneficiar el desarrollo de métodos de superresolución.

Sin embargo, tanto Frick como Fromenteze cuestionan si la nueva técnica funcionará en condiciones del mundo real. Frick también señala que si bien esta nueva técnica mejora la resolución vertical, no afecta la sensibilidad. "Un sistema de este tipo no puede detectar objetos que un sistema de radar convencional no podría detectar", afirma.

Andrew Jordan, miembro del equipo de la Universidad Chapman, reconoce estas preocupaciones. La prueba es la primera de una serie de experimentos necesarios para probar el concepto, afirma. Actualmente, el equipo está trabajando para demostrar la técnica con ondas que se propagan por el aire. En respuesta a la preocupación de Frick sobre la sensibilidad, Jordan señala que, para la detección de minas terrestres, los sistemas actuales no pueden distinguir las rocas de las cargas explosivas. Y aunque es posible que la nueva técnica no encuentre objetos adicionales, su resolución vertical mejorada debería proporcionar detalles finos del objeto junto con su profundidad, permitiendo a los usuarios resolver el problema de las rocas o las minas terrestres.

–Katherine Wright

Katherine Wright es la editora adjunta de la revista Physics.

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

Física. Rev. Lett. 131, 053803 (2023)

Publicado el 2 de agosto de 2023

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