反射波精准定位

　　在一个盒子里做实验：在一个金属盒子里传播的微波，在一个金属立方体（位于转盘上）上反复反弹。波由发射器生成，由接收器（与黑线相连的白色结构）接收，而超表面（绿色和铜色结构）则提供随机变化序列。机器学习系统会根据检测到的微波以亚波长精度重新调整立方体的位置。图片来源于研究论文

　　使用长电磁波或声波对物体进行高分辨率成像或定位看似一定会失败。目前一些高分辨率成像及定位技术会在靠近物体的地方放探头，也有一些专业技术可以避免放置近摄探头。但现在，研究人员已经表明可以通过波在含有物体的回声室内反射，以高分辨率确定一个小物体的位置，他们的精度能达到成像微波波长的1/76，远远超过了在没有特写探头情况下，成像专家通常预测的半波长分辨率限制。这项技术可以在任何回声环境中，比如房间里，进行高分辨率的成像或定位。

　　一个5兆赫的医用束不能分辨比其波长0.3毫米小得多的特征，而传统的光成像同样受到波长的限制。反射波会在距被成像物体的大约一个波长内衰减，但是小尺度特征的信息包含在较短波长的反射中，因此，大多数高分辨率成像技术都需要设置一个靠近物体的探头。

　　但在距离目标较远的地方也可以获得亚波长信息。法国雷恩大学（Rennes University）的Philipp del Hougne说，近年来，研究人员已经提出了一些无需侵入式探头或其他近距离操作使用亚波长成像的方法，但这些方法有些复杂。他和他的同事开发的技术更简单，适用面更广。

　　该方法基于被称为编码孔径的概念。其中一个版本的成像方法是将波对准物体，并在物体和单像素探测器之间放置一个散射结构，例如不规则形状的金属腔可以作为微波的散射结构。当散射结构屏蔽各种模式的波时，研究人员可以从探测器上获取多个读数，然后对数据进行处理以重建完整的图像。

　　在传统的编码孔径成像中，来自成像源的波在到达探测器之前只会遇到物体一次。但是，根据众所周知的散射原理，研究小组推断，如果波能够以某种方式与物体发生多次相互作用，反射模式将对亚波长的细节更加敏感。为了增加成像过程中物体与波的相互作用次数，del Hougne和他的同事决定将物体放置在散射结构内。研究人员进行了一个概念验证实验，确定了一个金属立方体在金属盒子里的位置。直径4.5厘米的立方体被放置在一个可以在盒子里移动的转盘上，1米宽的盒子里还装有发射和接收12厘米波长微波的天线，以及提供随机散射表面的不规则形状的结构。盒子里有一个称为超表面（metasurface）的可编程反射单元阵列，研究人员可以根据编码孔径成像的需要改变微波的散射。在实验中，研究人员在一系列随机超表面排布中测量接收处的微波振幅。首先，他们训练了一个神经网络来解码建立在“已知”立方体位置的测量数据。然后，他们将立方体移动到“未知”地点，用神经网络将立方体位置重建到0.16厘米，即波长的1/76以内。通过在盒子顶部敞开、闭合以及部分半开的情况下重复实验，研究组发现当反射波在盒子中停留时间最长时，就会出现最精确的定位。波在盒子内反射时间越长，与物体相遇的次数越多，系统对物体的亚波长细节就越灵敏。杜克大学（Duke University）的电气与计算机工程师Steven Cummer对此印象深刻，但很谨慎。“这是一个概念的演示，如何在真实应用中发挥它的作用，还有很多挑战需要面对，”他说，“但这个想法很聪明。”

　　把想法摆上桌面：回声室中高分辨率定位的最新演示表明，在未来，能够感应普通桌面上手指敲击的触摸屏可以提高其定位分辨率。德尔霍恩说，这项技术可以应用于许多类型的波现象。未来的设备可以使用普通房间作为回声室，通过无线电波或声波定位物体。这种方法还可以使用在表面反射的弹性波来定位手指敲击，将桌面转换成交互式触摸屏的系统。新的结果表明，这样的系统可以提供比之前认为的半波长限制更好的分辨率。