연구진이 기존 레이더의 한계를 극복하기 위해 나선형 전자파와 테라헤르츠파를 이용한 '와전류 레이더'를 개발했다. 이 혁신적인 시스템은 회전하는 물체의 속도를 정확하게 감지할 수 있으며 군사 방어 및 고급 표적 탐지 분야에서 광범위한 응용 가능성을 가지고 있습니다.
여러분은 깨닫지 못할 수도 있지만, 도플러 효과는 레이더로 자동차 속도를 추적하는 것부터 하늘의 위성을 찾는 것까지 우리 삶의 모든 곳에 있습니다. 도플러 효과의 원리는 신호 소스(예: 레이더 신호)와 탐지기가 서로 상대적으로 움직일 때 전파의 주파수가 변경된다는 것입니다. 그러나 기존 레이더 시스템은 레이더 신호에 직각으로 움직이는 물체를 감지하려고 할 때 장애물에 부딪힙니다. 이러한 제한으로 인해 연구자들은 완전히 새로운 접근 방식을 탐구하게 되었습니다.
선형 파동에 의존할 뿐만 아니라 궤도 각 운동량(OAM)이 있는 나선형 전자기파도 사용하는 레이더 시스템을 상상해 보십시오. 이러한 특별한 "소용돌이" 파동은 회전하는 물체를 만날 때 상당한 회전 도플러 효과를 생성하는 나선형 비틀림을 가지고 있습니다.
회전 표적 탐지를 위한 통합 테라헤르츠 와류 빔 이미터. 출처: JingyaXie, USST
이러한 회전 도플러 효과의 식별 및 감지를 향상시키기 위해 상하이 과학 기술 대학(USST)의 연구원들은 테라헤르츠(THz) 파를 활용하는 통합 테라헤르츠 와류 빔 방출기를 개발했다고 Advanced Photonics 저널에 보고되었습니다. 해당 기사의 교신 저자인 Zhu Yiming 교수에 따르면, "우리가 아는 한, 이 연구는 회전하는 표적을 탐지하기 위해 설계된 통합 테라헤르츠 와류 빔 방출기를 처음으로 보여줍니다."
테라헤르츠파는 고해상도 레이더 이미징에 이상적입니다. 주파수 측면에서 테라헤르츠파는 마이크로파와 적외선 사이에 있으며 손상 위험을 최소화하면서 다양한 물질을 투과하는 고유한 능력을 가지고 있습니다. 그러나 테라헤르츠파는 유망하지만 낮은 효율성과 불안정성 등 일련의 과제에 직면해 있습니다.
실용적인 조정 가능한 테라헤르츠 소용돌이 방출기와 이에 상응하는 감지 방식을 연구하기 위해 연구팀은 통합된 테라헤르츠 방출기와 양전하 및 음전하를 띤 소용돌이 빔을 결합하는 새로운 방법을 개발했습니다. 이러한 소용돌이 빔의 주파수를 조작함으로써 회전하는 물체의 속도를 정확하게 측정하는 레이더 신호를 생성할 수 있습니다. 이 획기적인 기술은 최대 2%의 오류로 물체의 회전 속도를 정확히 찾아내는 방법을 제공합니다.
회전속도 측정 결과 (a)는 OAM 모드 +1, (b)는 OAM 모드 -1입니다. 빨간색 점은 측정 데이터이고 파란색 실선은 이론값입니다. 참고: δ는 절대 오차입니다. 출처: Xie Jingya, 중국 과학기술대학교
그들의 설계에는 빔 방출기 공동에서 다양한 공명을 얻기 위해 주파수를 조작하는 작업이 포함되어 있으며, 그 결과 ±1의 위상 전하를 갖는 소용돌이 빔이 생성됩니다. 이러한 소용돌이 빔은 회전하는 물체를 조명하고 결과적인 광파 에코는 선형 편파 안테나에 의해 직접 수신될 수 있습니다. 스펙트럼 내에서 회전 도플러 효과를 효과적으로 식별하고 감지함으로써 물체의 회전 속도를 정확하게 정량화할 수 있습니다.
또한 팀은 편파와 관련된 까다로운 문제를 극복하여 레이더 시스템이 테라헤르츠 주파수 범위에서 회전을 감지하는 데 이상적이라고 합니다.
이 혁신적인 레이더 기술은 광범위한 응용 분야에 흥미로운 가능성을 제공합니다. 레이더 표적 탐지를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라 전술적 군사 방어에 새로운 대응 시스템을 가져올 수도 있습니다. 또한 비용 효율적이고 확장 가능하므로 생각보다 빨리 이 최첨단 기술의 응용 프로그램을 볼 수 있습니다.
움직이는 물체를 관찰하고 추적하는 방식을 변화시킬 이 획기적인 분야의 더 많은 발전을 계속 지켜볼 가치가 있습니다.