徐安強(qiáng)

(上海理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200093)

微波作為電磁波的一部分，其波長(zhǎng)范圍在1米和1毫米之間，頻率范圍在300 MHz和300 GHz之間。同其它波段的電磁波相比較，微波具有一些特殊的優(yōu)勢(shì)。第一，相比于頻率更小的短波無(wú)線電波來(lái)說(shuō)，微波波段所包含的信息性更多。這是因?yàn)轭l率越小，供其可用的頻帶就越窄。第二，相較于可見光、紅外光而言，微波的波長(zhǎng)更長(zhǎng)，因此穿透性也就更好。第三，微波用于安全檢測(cè)成像時(shí)，不會(huì)像X射線一樣對(duì)人體或周圍的環(huán)境產(chǎn)生危害。而且微波還具有高功率、高穩(wěn)定性、抗低頻干擾特性等獨(dú)特的性質(zhì)。基于上述等優(yōu)點(diǎn)，微波在成像方面具有極大的應(yīng)用前景，逐漸成為熱門的研究領(lǐng)域之一[1]。

然而傳統(tǒng)的微波成像系統(tǒng)，主要為合成孔徑雷達(dá)(SAR, Synthetic Aperture Radar)成像系統(tǒng)，存在著許多難以解決的問(wèn)題。例如對(duì)運(yùn)動(dòng)速度慢的目標(biāo)物體正視成像質(zhì)量差[2]，響應(yīng)速度較慢，且成像系統(tǒng)還需要很大的測(cè)量空間等。針對(duì)傳統(tǒng)合成孔徑雷達(dá)成像的不足之處，科研人員們開始研究利用人為設(shè)計(jì)的超材料孔徑/超表面天線來(lái)進(jìn)行成像，具有成像質(zhì)量高，響應(yīng)時(shí)間快，抗低頻干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。本文首先對(duì)電磁超材料的發(fā)展進(jìn)行了簡(jiǎn)單的概述，進(jìn)而總結(jié)了近年來(lái)基于超材料孔徑/超表面天線的電磁超材料成像系統(tǒng)在微波成像方面的應(yīng)用現(xiàn)狀，同時(shí)也對(duì)近期新興的可編程超材料在微波成像應(yīng)用方面做了簡(jiǎn)要介紹。

1 電磁超材料的概述

電磁超材料，也可以簡(jiǎn)單地稱其為超構(gòu)材料、超材料，它是一種人造材料，可以人為地設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)從而使材料表現(xiàn)出天然存在的材料所不具備的一些特殊性能[3-4]，比如負(fù)折射[5]，完美透鏡[6]，逆Cherenkon輻射[7-8]等，特別是其中的負(fù)折射性質(zhì)，是當(dāng)時(shí)最熱門的研究話題之一。因此，最初的電磁超材料一般是指負(fù)折射材料。介電常數(shù)和磁導(dǎo)率是描述均勻媒質(zhì)中電磁場(chǎng)性質(zhì)的的兩個(gè)基本物理量，在我們的認(rèn)知當(dāng)中，自然界中存在的材料的介電常數(shù)(ε)和磁導(dǎo)率(μ)都為正值，其電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量和波矢量三者之間遵循右手螺旋定則，如圖1(a)所示。但是負(fù)折射材料的出現(xiàn)卻顛覆了我們的認(rèn)知，它的介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值，其電場(chǎng)矢量、磁場(chǎng)矢量和波矢量三者之間遵循左手螺旋定則，如圖1(b)所示，故負(fù)折射材料又被稱為左手材料 (LHM, Left-Handed Materials)[9]。

圖1 (a)傳統(tǒng)材料中E、H、K之間呈右手螺旋關(guān)系; (b)負(fù)折射材料中E、H、K之間呈左手螺旋關(guān)系Fig.1 (a)Right-hand orientation of vectors E,H,K for the traditional materials；(b)Left-hand orientation of vectors E,H,K for the negative refractive materials

隨著二十多年來(lái)相關(guān)科研人員對(duì)電磁超材料認(rèn)識(shí)深度及學(xué)習(xí)能力的不斷加強(qiáng)，現(xiàn)在的電磁超材料已不單單是指左手材料，也就是說(shuō)如今的超材料不需要同時(shí)具有負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率。從廣義上來(lái)講，現(xiàn)在的電磁超材料基本上是指由人工設(shè)計(jì)單元結(jié)構(gòu)組成的，并具有奇特電磁特性的人造功能復(fù)合材料[10]，比如光子晶體(Photonic Crystal)、寬帶超材料吸收體、復(fù)合左/右手傳輸線、超表面等。根據(jù)等效媒質(zhì)理論，電磁超材料結(jié)構(gòu)單元的尺寸要遠(yuǎn)小于波長(zhǎng)(基本上小于波長(zhǎng)的10倍以上)[11]，即電磁超材料的尺寸屬于亞波長(zhǎng)范疇，這就使得可以通過(guò)常規(guī)的制備方法(例如光刻、PCB的制備技術(shù))將電磁超材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成芯片級(jí)別的大小，從而有望做到小型化、陣列化、集成化。

關(guān)于超材料這一概念，最早是前蘇聯(lián)物理學(xué)家Veselago于1968年提出來(lái)的，他基于對(duì)麥克斯韋方程組的深入研究，發(fā)表了介電常數(shù)和磁導(dǎo)率都為負(fù)值的理論推測(cè)[12]。但這一研究理論在當(dāng)時(shí)并沒(méi)有得到重視，因?yàn)槿藗儾](méi)有在自然界中發(fā)現(xiàn)過(guò)具有負(fù)折射性能的材料。Pendry教授帶領(lǐng)的研究小組于1996年利用周期性排布的金屬細(xì)導(dǎo)線得到了負(fù)的電響應(yīng)，并在微波頻段內(nèi)構(gòu)造出了等效介電常數(shù)為負(fù)的人工材料[13]。1999年，他又利用周期性排布的開口諧振環(huán)(SRR, Split-Ring Resonator)陣列得到了負(fù)的磁響應(yīng)，構(gòu)造出了等效磁導(dǎo)率為負(fù)的人工材料[14]。這兩項(xiàng)重大研究的發(fā)表，才算是真正使人們對(duì)超材料這一概念重視起來(lái)。2001年，Smith等人在Pendry研究的基礎(chǔ)上，在Science上報(bào)道了將周期性金屬細(xì)導(dǎo)線和開口諧振環(huán)陣列結(jié)合起來(lái)，首次在實(shí)驗(yàn)中構(gòu)造出了微波波段內(nèi)的左手材料，證明了負(fù)折射材料是可以實(shí)現(xiàn)的[5]。隨后，關(guān)于電磁超材料在各種不同方向的研究如雨后春筍般涌現(xiàn)出來(lái)。

2 電磁超材料在微波成像方面的應(yīng)用

傳統(tǒng)的雷達(dá)天線成像系統(tǒng)由于通常需要昂貴且復(fù)雜的射頻組件，且抗干擾能力差，處理速度慢，無(wú)法適應(yīng)如今小型化、多元化、集成化、陳列化等發(fā)展要求。基于電磁超材料發(fā)展起來(lái)的超材料孔徑/超表面天線的組成結(jié)構(gòu)單元都處于亞波長(zhǎng)尺寸，可以大幅度地減小天線的尺寸，易做到小型化、陣列化，且占地面積小且響應(yīng)速度快，提供了一種新的微波成像解決方案，并且一種新興發(fā)展起來(lái)的可編程超材料也可被用在微波成像方面。

2.1 超材料孔徑/超表面天線

超材料孔徑一般為平行板波導(dǎo)的形式，板上的圖案化互補(bǔ)超材料相元會(huì)將能量從波導(dǎo)模式耦合到場(chǎng)景[15]，隨后可根據(jù)各種不同的算法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行重建。我們可以根據(jù)超材料奇特的電磁特性自由地設(shè)計(jì)天線頻率，以應(yīng)用于不同的測(cè)量模式。

Lipworth等人[16]介紹了一種二維超材料孔徑，并通過(guò)模擬證明該超材料孔徑可用于相干計(jì)算成像。隨后，他們于文獻(xiàn)[17]中介紹了基于頻率采集的超材料孔徑的計(jì)算成像，超材料的共振頻率隨機(jī)分布在較大的寬帶(18-26GHz)上，因此孔徑會(huì)根據(jù)頻率產(chǎn)生快速變化的場(chǎng)模式序列，通過(guò)在合理的帶寬內(nèi)對(duì)典型場(chǎng)景進(jìn)來(lái)了多次不同測(cè)量，在實(shí)驗(yàn)上實(shí)現(xiàn)了衍射受限的物理場(chǎng)景重建。Yurduseven等人[18]提出了一種基于三維打印的分頻超表面天線計(jì)算成像系統(tǒng)。通過(guò)使用聚乳酸(PLA)聚合物材料和導(dǎo)電聚合物材料的組合實(shí)現(xiàn)了對(duì)超表面天線的制作，以全電子方式通過(guò)簡(jiǎn)單的掃頻進(jìn)行成像，可以在衍射極限下實(shí)現(xiàn)物體的微波成像。這種新型的超表面天線制作方法，解決了常規(guī)制造技術(shù)(例如機(jī)器銑削、光刻和激光刻蝕等)價(jià)格貴且耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題。

為了解決傳統(tǒng)超材料孔徑/超表面天線成像系統(tǒng)中重建算法耗時(shí)長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題，Mancera等[19]通過(guò)轉(zhuǎn)換動(dòng)態(tài)超表面的測(cè)量值，使其在快速的計(jì)算步驟中與距離偏移算法(RMA, Range migration algorithms)兼容，進(jìn)而達(dá)到優(yōu)化RMA的目的，為基于動(dòng)態(tài)超表面的成像系統(tǒng)提供了一種有效且快速的重建圖像技術(shù)。Boyarsky等人[20]基于兩個(gè)超表面孔徑組成的動(dòng)態(tài)超表面天線搭建了一套高分辨成像系統(tǒng)，根據(jù)對(duì)反向散射的測(cè)量，通過(guò)RMA有效地重建出目標(biāo)物體的三維圖像，展示了單一頻率下對(duì)三維物體進(jìn)行分辨及重構(gòu)成像的能力。

超材料孔徑/超表面天線成像系統(tǒng)還可用于醫(yī)療方面對(duì)疾病的檢測(cè)。Ahsan等[21]提出了一種用于在頭部有效傳輸微波信號(hào)的新型超材料天線陣列設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果表明該超材料天線陣列可應(yīng)用在一些對(duì)腦部成像(如中風(fēng)檢測(cè)和監(jiān)視)的微波系統(tǒng)。Islam等人[22]基于超寬帶定向天線陣列，提出了一種便攜式的低成本微波成像系統(tǒng)，通過(guò)使用新提出的迭代校正延遲求和(IC-DAS, Iteratively Corrected Delay and Sum)算法處理散射場(chǎng)的偏差，完成了對(duì)乳房模型中的腫瘤細(xì)胞檢測(cè)。

2.2 可編程超材料

編碼超材料、數(shù)字超材料、可編程超材料這一概念是由東南大學(xué)的崔鐵軍教授提出來(lái)的[23]，是近幾年新興并迅速發(fā)展起來(lái)的一種由若干結(jié)構(gòu)單元按照編碼的方式排布的電磁超材料。所謂的編碼，就是對(duì)組成超材料表面的每個(gè)結(jié)構(gòu)單元粒子編碼并進(jìn)行相位劃分：對(duì)于1比特編碼超材料，其最優(yōu)化的編碼粒子相位分別為0°和180°；對(duì)于n比特編碼超材料，其編碼粒子在2π相位范圍內(nèi)被劃分為2n個(gè)相等的部分[24]。此處，我們針對(duì)典型的1位和2位編碼的可編程超材料進(jìn)行成像的文獻(xiàn)做了簡(jiǎn)單概括。

Li等[25]設(shè)計(jì)了一款微波頻段下基于1位編碼的可編程超表面，通過(guò)直流電壓控制PIN二極管，可以在編碼超表面的每個(gè)結(jié)構(gòu)單元的狀態(tài)之間靈活切換“0”和“1”。驗(yàn)證表明，僅使用一個(gè)編碼超表面就可實(shí)時(shí)地實(shí)現(xiàn)多個(gè)所需的全息圖像.文獻(xiàn)[26]提出了一種傳輸型2位編碼的可編程超表面，可用于微波頻率下的單傳感器和單頻率成像，通過(guò)足夠多的傳輸模式解決了單傳感器成像中的逆散射問(wèn)題，與傳統(tǒng)的單傳感器成像儀相比，在很大程度上減少了成像系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，

可編程超材料將物理世界與信息世界兩者之間緊密的結(jié)合在了一起，使人們可以在超材料的物理層面上進(jìn)行基于波的實(shí)時(shí)信息編碼和處理[27]，推進(jìn)了諸如數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和先進(jìn)信息處理等各個(gè)層面的進(jìn)步，并在成像方面表現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景。目前對(duì)于可編程超材料而言，未來(lái)可以朝著實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單性、低成本的設(shè)計(jì)以及實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量圖像的方向發(fā)展。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從微波以及電磁超材料在成像應(yīng)用方面的優(yōu)勢(shì)出發(fā)，綜述了近幾年電磁超材料在微波成像方面的研究現(xiàn)狀，介紹了超材料孔徑/超表面天線在微波成像方面上的優(yōu)勢(shì)及應(yīng)用，最后簡(jiǎn)單介紹了新興的可編程超材料用于成像方面的優(yōu)勢(shì)及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。