Fisica

I dispositivi radar utilizzati per individuare le mine terrestri hanno difficoltà a distinguere le caratteristiche alla profondità alla quale questi oggetti sono generalmente sepolti, il che può portare a falsi positivi e quindi a perdite di tempo. Ora i ricercatori hanno dimostrato una prova di concetto per un metodo radar in grado di risolvere oggetti più piccoli a profondità maggiori di quanto fosse possibile in precedenza [1]. I ricercatori affermano che la loro tecnica potrebbe consentire il rilevamento di mine terrestri sepolte a pochi metri sottoterra, molto più in profondità rispetto ai pochi centimetri accessibili con la tecnologia attuale. Gli archeologi potrebbero anche utilizzare il nuovo metodo per trovare manufatti sepolti.

Un sistema radar invia una serie di brevi impulsi di onde radio che possono incontrare un oggetto e riflettersi sul dispositivo. Il dispositivo utilizza le onde riflesse per determinare la dimensione e la distanza dell'oggetto. Quando ci sono due oggetti nel percorso degli impulsi, il dispositivo può risolvere entrambi gli oggetti se rileva due picchi distinti nelle onde radio riflesse.

Per aumentare la potenza di un radar nel risolvere oggetti vicini tra loro, gli impulsi possono essere accorciati. Per ridurre la lunghezza di un impulso è necessario aumentarne la larghezza di banda, ovvero la diffusione delle frequenze che si sommano per formare l'impulso. In genere, gli impulsi vengono abbreviati aggiungendo onde a frequenza più elevata, ma l’aggiunta di tali frequenze ha uno svantaggio. "Quasi tutti i mezzi materiali diventano più opachi con l'aumentare della frequenza", afferma John Howell, uno scienziato radar della Chapman University in California. Questa crescente opacità limita la profondità alla quale è possibile sondare quando si includono le alte frequenze. Pertanto, per aumentare la sensibilità a distanze maggiori, gli utenti del radar devono utilizzare impulsi più lunghi e quindi sacrificare la risoluzione.

Per superare questa limitazione, Howell e i suoi colleghi hanno progettato una forma d'onda radar che assomiglia a una serie di zigzag, con un picco e un avvallamento triangolari e un picco e un avvallamento aggiuntivi troncati in modo da includere segmenti piatti. I segmenti inclinati sono altamente sensibili all'interferenza tra le diverse onde riflesse, mentre le sezioni piatte sono insensibili a tale interferenza.

Il team ha testato questa forma d'onda inviandola attraverso un cavo coassiale predisposto per produrre due versioni del segnale lungo 200 nanosecondi all'estremità opposta: la versione diretta e una versione ritardata di diversi nanosecondi. Un oscilloscopio ha rilevato l'interferenza dei due segnali, che rappresentavano le riflessioni attese da due oggetti vicini.

Il segnale combinato conteneva alcune sezioni sostanzialmente modificate e altre invariate. Queste regioni “nessun cambiamento” hanno funzionato come punti di riferimento che hanno permesso ai ricercatori di rilevare i cambiamenti che si sarebbero verificati su distanze inferiori alla lunghezza dell’impulso e che sarebbero stati indotti dall’interferenza tra le due riflessioni. Utilizzando queste informazioni, il team ha dedotto che le distanze di separazione tra i due oggetti virtuali erano decine di migliaia di volte più brevi di quanto sarebbe stato altrimenti possibile.

Questa prova di concetto indica che il metodo dovrebbe fornire miglioramenti significativi, afferma Howell. “Un radar con una risoluzione sufficiente per vedere una mina può sondare solo pochi centimetri nel terreno. Ora possiamo ottenere una risoluzione inferiore al centimetro e sondare molti metri sotto terra”. Questo miglioramento potrebbe anche consentire agli archeologi di trovare piccoli oggetti sepolti: attualmente possono individuare solo grandi muri o vuoti. Potrebbe anche aiutare gli oceanografi a mappare il fondale oceanico, cosa che non è possibile con gli attuali sistemi radar.

L’aumento di risoluzione segnalato da Howell e dai suoi colleghi supera quelli precedenti “per ordini di grandezza, il che è impressionante ed emozionante”, afferma Stefan Frick, un fisico quantistico che lavora sul radar quantistico all’Università di Innsbruck, in Austria. Thomas Fromenteze, specialista in tecnologie radar presso l'Università di Limoges, in Francia, giunge alla stessa conclusione. “I limiti di risoluzione rappresentano una notevole limitazione hardware nell’imaging radar”, afferma, e il nuovo lavoro potrebbe favorire lo sviluppo di metodi a super-risoluzione.