面向地下管线增强探测的深度亚波长成像机理研究

Diffraction limit is the technical bottle-neck in the underground utilities detection which demands innovative research ideas. In recent years, the rapid development in the Metamaterials subject and more precisely the sub-wavelength imaging techniques, provides a new research direction for the detection of pipes and cables which are small in size and buried in great depth. This project focuses on the development of such a sub-wavelength imaging ‘meta-lens’ based on metamaterial resonant units that work below the MHz frequency range. This project will investigate the control mechanism of the sub-wavelength depth of the resonant units; the quantitative model of the coupling between resonant units and the coupling between different layers of the ‘meta-lens’ within the system; and the method to expand the working bandwidth of the lens. It will also investigate the influence of lossy matter on the lens system and its mechanism explanation. The resonant units will be fabricated, the lens system will be constructed, and it will be tested in lossless air and lossy underground environment for its imaging performance. This project will provide an innovative solution for the underground utilities detection.

衍射极限是探测地下管线的技术瓶颈之一，如何突破衍射极限，实现亚波长探测成像是多年来的研究难点。随着超材料新学科的出现和基于超材料共振单元的亚波长成像技术的迅速发展，为埋设较深、管径较小的管线探测提供了一个新的科研思路。本项目提出通过构建基于超材料共振单元的亚波长超镜，实现在MHz及以下频段范围内的成像功能。本项目将研究共振单元的亚波长深度的调控方法；亚波长系统中各参量间相互影响的定量表达；构造超镜时共振单元间和多层超镜间的耦合模型；以及增大超镜工作频宽的方法。研究衰减介质对超镜系统的影响及其机制解释；开展对超镜单元和系统的制备，进行空气介质和地下高衰减介质中的超镜成像测试和数据处理。本项目是一项亚波长成像机理研究，所提出新的解决方案，是地下管线增强探测技术研究的一次有益尝试。

衍射极限是无损探测的主要瓶颈之一，如何突破衍射极限，实现亚波长探测成像是多年来的研究难点。.本项目完成了声学超材料深度亚波长共振单元设计，提出了一种基于Helmholtz共鸣器耦合的共振单元设计，设计实现了单带/多带双负声超材料共振单元，为深度亚波长成像奠定了基础；完成了基于Helmholtz共鸣器阵列的亚波长成像系统设计，并开展了实验测量；完成了多层介质介电常数预估方法和模型的建立；完成了亚波长射频识别共振器在探地雷达图像上的联合时频分析研究，有效地提高了非金属埋地管线的可探测性和可识别性。.重要结果和科学意义方面，一方面揭示了基于声超材料亚波长共振单元的双负物理机理。该双负共振单元是搭建亚波长超镜成像结构的基本构造单元，为（多带）深度亚波长成像的实现提供了一种有效的方式。基于此开展了超镜成像的相关实验，实现了单极子（monopole）源1/20波长、偶极子（dipole）源1/8波长的深度亚波长成像分辨率。另一方面，提出了一种将频域亚波长共振器与时域探地雷达相结合实现非金属管线增强探测与识别的方法，并通过仿真、实验验证了基于Omega的亚波长共振器的实际效果。本研究提出了非金属管线识别的新方法。.总的来说，本项目所研究的亚波长成像机理，以及所提出新的解决方案，是地下管线增强探测技术研究的一次有益尝试。