Computational Microwave Imaging Relying on Orbital Angular Momentum Transmitarrays for Improved Diversity

1. بيان المشكلة

تهدف أنظمة التصوير الحسابي (CI) إلى إعادة بناء صور للمشاهد باستخدام موضع استحواذ واحد (أو قليل) من خلال إضاءة الهدف بأنماط إشعاعية غير مترابطة مكانياً (أنماط القياس).

• القصور: تعتمد أنظمة التصوير الحسابي التقليدية القائمة على تنوع التردد على نطاقات تشغيل واسعة لتخليق عدد كافٍ من أنماط القياس الفريدة. ويعود ذلك إلى أن الارتباط بين الأنماط الإشعاعية عند الترددات المختلفة يكون مرتفعاً في الغالب، مما يحد من قدرة النظام على تشفير معلومات المشهد بكفاءة.
• النتيجة: لتحقيق عمليات إعادة بناء عالية الجودة للصور، خاصة للأهداف المعقدة أو الموزعة، تتطلب هذه الأنظمة نطاقات عرض واسعة، مما يزيد من تعقيد الأجهزة ووقت الحصول على البيانات.
• الهدف: يقترح المؤلفون طريقة لزيادة تنوع أنماط القياس بشكل كبير دون الاعتماد فقط على نطاقات العرض الواسعة، مما يتيح التصوير عالي الجودة في عمليات النطاق الضيق.

2. المنهجية

يدمج الحل المقترح موجات الزخم الزاوي المداري (OAM) في نظام تصوير حسابي متنوع التردد باستخدام مصفوفات إرسال (Transmitarrays - TAs) عازلة مطبوعة ثلاثية الأبعاد.

• بنية النظام:

  • يتكون النظام من تجويفين يعملان كمرسل (TX) ومستقبل (RX)، وهما عبارة عن تجاويف موجية متسربة (leaky-wave cavities) معدنية مطبوعة ثلاثية الأبعاد.
  • يتم تغذية التجاويف بواسطة دليل موجي، وتتميز بطبقة أمامية تحتوي على توزيع عشوائي من الثقوب لإشعاع المجالات.
  • توليد الـ OAM: داخل كل تجويف، توضع مصفوفات إرسال (TAs) عازلة بالكامل. هذه المصفوفات عبارة عن مصفوفات 40×40 من الخلايا الوحدة ذات الشكل الهرمي والمصنوعة من راتنج (Grey V4) عبر الطباعة ثلاثية الأبعاد.
  • الآلية: صُممت مصفوفات الـ TAs لإضفاء توزيع طور حلزوني على الموجة الكروية الواردة، مما يولد رتب OAM محددة (الرتب $l$). تم تقسيم الطور إلى تدرج ثنائي البت (4 حالات طور: 0°، 90°، 180°، 270°).
  • استراتيجية التنوع: بدلاً من مجرد مسح التردد، يقوم النظام بالدوران عبر رتب OAM متعددة ($l = +1$ إلى $+10$) في كل من المرسل والمستقبل. ويُعرف إجمالي عدد أنماط القياس ($M$) بالمعادلة $M = N_f \times N_{OAM}$، حيث $N_f$ هو عدد عينات التردد و $N_{OAM}$ هو عدد تركيبات أنماط OAM.

• الإعداد التجريبي:

  • نطاق التردد: نطاق Ka-band (27.5 – 28.5 جيجاهرتز).
  • النموذج الأولي: تجويفان يفصل بينهما 236 ملم. يتم تبديل مصفوفات الـ TAs يدوياً لاختبار رتب OAM مختلفة.
  • الأهداف: مربعات معدنية، شرائط متوازية، وأهداف على شكل حرف "U" موضوعة على مسافة 25 سم.
  • إعادة البناء: يتم تقدير انعكاسية المشهد باستخدام تقليل المربعات الصغرى بناءً على تقريب "بورن" الأول وتحليل القيم المفردة (SVD) لمصفوفة الاستشعار.

3. المساهمات الرئيسية

1. الدمج المبتكر لـ OAM في التصوير الحسابي: توضح الورقة أن الاستفادة من تعامد حالات OAM الذاتية تزيد بشكل كبير من تنوع أنماط القياس في نظام التصوير الحسابي، مما يعمل كدرجة حرية إضافية تتجاوز التردد.
2. التشغيل في النطاق الضيق: تثبت الدراسة أنه يمكن تحقيق تصوير دقيق باستخدام 1/8 فقط من عرض النطاق التشغيلي المطلوب من قبل نظام يعتمد على تنوع التردد فقط.
3. مصفوفات الإرسال العازلة المطبوعة ثلاثية الأبعاد: صمم المؤلفون وصنعوا مصفوفات TAs عازلة بالكامل ومخصصة باستخدام تقنية الطباعة بالستيريوليثوغرافيا (Srolysis SLA) لتوليد أنماط OAM محددة بكفاءة وبتكلفة منخفضة.
4. التحقق من إثبات المفهوم: تم بناء نموذج أولي واختباره، مما أظهر أن الأهداف الموزعة المعقدة (التي لا يمكن إعادة بنائها باستخدام تنوع التردد وحده) يمكن تصويرها بنجاح باستخدام تنوع OAM.

4. النتائج

قارنت التجارب بين نظام قياسي متنوع التردد (بدون OAM) والنظام المعزز بـ OAM المقترح ($N_{OAM} = 45$ تركيبة) تحت ظروف عرض نطاق وعدد أنماط متغيرة.

• جودة الصورة مقابل عرض النطاق:

  • النظام القياسي (بدون OAM): حتى مع عرض نطاق قدره 1 جيجاهرتز، فشل النظام في إعادة بناء الأهداف المعقدة (مثل المربع الموجود في أسفل يسار الهدف التجريبي) بسبب عدم كفاية تنوع الأنماط. كانت نسبة الهدف إلى الضجيج (TCR) منخفضة (10.6 ديسيبل).
  • نظام OAM ($N_{OAM}=45$): مع نفس عرض النطاق البالغ 1 جيجاهرتز، حقق النظام عمليات إعادة بناء عالية الجودة مع حد أدنى من الضجيج (TCR 20.6 ديسيبل).
  • النجاح في النطاق الضيق: حافظ نظام OAM على جودة صورة عالية حتى عند تقليل عرض النطاق إلى 250 ميجاهرتز (0.25 جيجاهرتز). وفي المقابل، فشل النظام القياسي تماماً عند هذا العرض.
  • النطاق الضيق للغاية: لا يزال بإمكان النظام إعادة بناء الأهداف بعرض نطاق ضيق يصل إلى 125 ميجاهرتز، وإن كان ذلك مع زيادة في الضجيج.

• تأثير عدد أنماط OAM:

  • أدى تقليل عدد أنماط OAM ($N_{OAM}$) من 45 إلى 5 إلى تدهور تدريجي في جودة الصورة وزيادة في الضجيج.
  • عندما تمت إزالة $N_{OAM}$ تماماً، لم يتمكن النظام من تحديد الأهداف، مما يؤكد أن أنماط OAM حاسمة للأداء الملحوظ.

• تحليل SVD:

  • أظهر تحليل القيم المفردة (SVD) لمصفوفة الاستشعار أن نظام OAM أنتج طيفاً أكثر تسطحاً مقارमाना بنظام التردد فقط. يشير الطيف الأكثر تسطحاً إلى تنوع أعلى وقدرة أفضل على استعادة المعلومات.

5. الأهمية

يعالج هذا العمل عقبة حرجة في التصوير بالموجات الدقيقة الحسابي: المقايضة بين تعقيد الأجهزة (عرض النطاق) وجودة الصورة.

• الكفاءة: باستخدام OAM، يحقق النظام نفس الأداء أو أفضل في التصوير باستخدام عرض نطاق أقل بكثير. وهذا أمر بالغ الأهمية للتطبيقات التي يكون فيها الطيف محدوداً أو مكلفاً.
• دقة الأهداف المعقدة: القدرة على إعادة بناء الأهداف الموزعة المعقدة التي تكون غير مرئية لأنظمة تنوع التردد القياسية تفتح آفاقاً جديدة للفحص الأمني، والاستشعار عن بعد، والتصوير الطبي الحيوي.
• الآفاق المستقبلية: يشير التكامل الناجح لمصفوفات TAs العازلة المطبوعة ثلاثية الأبعاد إلى مسار نحو أنظمة التصوير الحسابي من الجيل القادم، والتي يمكنها استخدام مصفوفات إرسال OAM قابلة لإعادة التشكيل إلكترونياً بسرعة للحصول على تصوير عالي الدقة في الوقت الفعلي دون الحاجة إلى مسح ميكانيكي أو نطاقات عرض ضخمة.