Các nhà nghiên cứu đã phát triển một "rađa dòng điện xoáy" sử dụng sóng điện từ xoắn ốc và sóng terahertz để khắc phục những hạn chế của radar truyền thống. Hệ thống cải tiến này có thể phát hiện chính xác tốc độ của các vật thể quay và có tiềm năng ứng dụng rộng rãi trong phòng thủ quân sự và phát hiện mục tiêu tiên tiến.

Bạn có thể không nhận ra nhưng hiệu ứng Doppler có ở mọi nơi trong cuộc sống của chúng ta, từ việc theo dõi tốc độ ô tô bằng radar cho đến định vị vệ tinh trên bầu trời. Nguyên lý của hiệu ứng Doppler là khi nguồn tín hiệu (chẳng hạn như tín hiệu radar) và máy dò chuyển động tương đối với nhau thì tần số của sóng vô tuyến sẽ thay đổi. Tuy nhiên, các hệ thống radar truyền thống gặp trở ngại khi cố gắng phát hiện các vật thể chuyển động vuông góc với tín hiệu radar của chúng. Hạn chế này đã thôi thúc các nhà nghiên cứu khám phá một cách tiếp cận hoàn toàn mới.

Hãy tưởng tượng một hệ thống radar không chỉ dựa vào sóng tuyến tính mà còn sử dụng sóng điện từ xoắn ốc có xung lượng góc quỹ đạo (OAM). Những sóng "xoáy" đặc biệt này có dạng xoắn ốc tạo ra hiệu ứng Doppler quay đáng kể khi gặp vật thể quay.

Bộ phát chùm tia xoáy terahertz tích hợp để phát hiện mục tiêu quay. Nguồn: JingyaXie, USST

Để cải thiện khả năng xác định và phát hiện các hiệu ứng Doppler quay này, các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ Thượng Hải (USST) đã phát triển một bộ phát chùm tia xoáy terahertz tích hợp sử dụng sóng terahertz (THz), báo cáo trên tạp chí Advanced Photonics. Theo Giáo sư Zhu Yiming, tác giả tương ứng của bài báo: “Theo hiểu biết của chúng tôi, nghiên cứu này lần đầu tiên chứng minh một máy phát chùm tia xoáy terahertz tích hợp được thiết kế để phát hiện các mục tiêu quay”.

Sóng Terahertz rất phù hợp để chụp ảnh radar có độ phân giải cao. Về tần số, sóng terahertz nằm ở đâu đó giữa sóng vi ba và sóng hồng ngoại và có khả năng đặc biệt là xuyên qua nhiều loại vật liệu đồng thời giảm thiểu nguy cơ hư hỏng. Tuy nhiên, mặc dù sóng terahertz đầy hứa hẹn nhưng chúng cũng phải đối mặt với một loạt thách thức, chẳng hạn như hiệu suất thấp và tính không ổn định.

Để nghiên cứu các bộ phát xoáy terahertz có thể điều chỉnh thực tế và các sơ đồ phát hiện tương ứng, nhóm nghiên cứu đã phát triển một phương pháp mới kết hợp một bộ phát terahertz tích hợp và chùm xoáy tích điện dương và âm. Bằng cách điều khiển tần số của các chùm xoáy này, chúng có thể tạo ra tín hiệu radar đo chính xác tốc độ của các vật thể quay. Bước đột phá này mang lại cách xác định chính xác tốc độ quay của vật thể với sai số tối đa chỉ 2%.

Kết quả đo tốc độ quay (a) là chế độ OAM +1, (b) là chế độ OAM -1. Các chấm màu đỏ là dữ liệu đo được và đường liền màu xanh lam là giá trị lý thuyết. Lưu ý: δ là sai số tuyệt đối. Nguồn: Jingya Xie, Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc

Thiết kế của họ bao gồm việc điều khiển các tần số để thu được các cộng hưởng khác nhau trong khoang phát chùm tia, tạo ra chùm tia xoáy có điện tích tôpô là ±1. Những chùm xoáy này sau đó chiếu sáng vật thể đang quay và tiếng vang sóng ánh sáng thu được có thể được thu trực tiếp bởi các ăng ten phân cực tuyến tính. Bằng cách xác định và phát hiện hiệu quả hiệu ứng Doppler quay trong quang phổ, tốc độ quay của vật thể có thể được định lượng chính xác.

Nhóm cũng được cho là đã khắc phục được một vấn đề phức tạp liên quan đến sự phân cực, khiến hệ thống radar này trở nên lý tưởng để phát hiện chuyển động quay trong dải tần terahertz.

Công nghệ radar cải tiến này mang đến những khả năng thú vị cho nhiều ứng dụng. Nó không chỉ có khả năng tăng cường khả năng phát hiện mục tiêu bằng radar mà còn có thể mang lại các hệ thống biện pháp đối phó mới cho phòng thủ quân sự chiến thuật. Ngoài ra, nó tiết kiệm chi phí và có thể mở rộng, nghĩa là chúng ta có thể thấy các ứng dụng cho công nghệ tiên tiến này sớm hơn chúng ta nghĩ.

Thật đáng để theo dõi những phát triển khác trong lĩnh vực đột phá này sẽ thay đổi cách chúng ta quan sát và theo dõi các vật thể chuyển động.