Две антенны вокруг трубы заменили целый томограф — положение и материал кодируются частотой
Две гибкие X-диапазонные антенны вокруг 90-мм PVC-трубы определяли положение 5.5-мм стержня и различали металл, дерево и нейлон по комплексной частотной сигнатуре S12. Вместо коммутации антенной решётки установка меняет электромагнитное поле частотным свипом от 9 до 12 ГГц. Результат держится на предварительно измеренном словаре состояний, и именно его границы определяют применимость метода.
Группа Arizona State University показала калиброванную микроволновую систему для локализации и классификации объектов внутри неметаллической трубы с двумя конформными метаповерхностными антеннами. Они установлены по противоположным сторонам PVC-трубы внешним диаметром 90 мм и подключены к портам векторного анализатора цепей. Передающая и приёмная антенны измеряют комплексный коэффициент передачи S12, из которого после вычитания отклика пустой трубы извлекается сигнатура объекта.
Каждая антенна выполнена как substrate-integrated waveguide на 30-mil Rogers/Duroid 5880. SIW-канал имеет длину 141.4 мм и ширину 15 мм, частота отсечки основной направляемой моды составляет 6.74 ГГц. Вдоль линии расположены 17 метаматериальных излучателей с разнесёнными резонансными частотами. При перестройке частоты меняются амплитуда, фаза и пространственная структура ближнего поля в трубе. Один и тот же объект поэтому оставляет разный отклик на разных частотах, причём форма спектра зависит одновременно от координаты и электромагнитных свойств материала.
В эксперименте внутри трубы находилась 3D-печатная решётка с 101 дискретной позицией. В отверстия с межцентровым шагом 12 мм помещали стержни диаметром 5.5 мм из металла, дерева и нейлона. Для каждой комбинации позиции и материала снимали пять независимых измерений: стержень каждый раз вынимали и устанавливали заново, включая в данные реальный разброс механического позиционирования. Базовый набор содержал 401 частотную точку в полосе 9–12 ГГц, так что получился словарь из 303 классов состояния.
Поиск одиночной цели сводится к нормированной комплексной корреляции измеренного вектора S12 со столбцами словаря. В проверке leave-one-out четыре повтора для каждого состояния использовались как опорные, пятый оставался тестовым. Авторы сообщают 100% совпадение индексов на этом наборе уже при подвыборке из 50 частотных точек. Таким образом, пространственное кодирование создаётся частотно-разнообразной антенной структурой, а вычислительная часть выбирает наиболее похожую заранее измеренную сигнатуру.
Отдельный опыт с двумя целями использовал 250 частотных точек от 8.250 до 11.985 ГГц и алгоритм CGS для разреженной реконструкции. Здесь отклик пары объектов аппроксимируется суммой одиночных откликов. Такое допущение допустимо для слабых рассеивателей и может нарушаться при сильной связи объектов через поле, поэтому двухобъектный результат остаётся демонстрацией принципа.
Установка не восстанавливает произвольное непрерывное распределение диэлектрической проницаемости и проводимости. Металл, дерево и нейлон уже присутствуют в опорной матрице при фиксированных диаметре, форме стержня, сетке координат и геометрии трубы. Материал вне этого набора, объект другого размера или смещение между узлами потребуют нового словаря либо модели, связывающей S-параметры с εr и σ. В стенде также использовались медные экраны для подавления влияния окружающей обстановки; устойчивость в неэкранированном помещении отдельно не измерялась.
Работа показывает способ убрать многоканальную RF-коммутацию из узкой задачи неразрушающего контроля: набор пространственных освещений формируется пассивной геометрией SIW-антенн и частотным свипом VNA. Цена такого упрощения — калибровка для конкретной трубы, набора материалов и сценария измерения.