超材料设备及使用该超材料设备的方法与流程
本申请是申请号为201380024497.4、申请日为2013年5月9日、发明名称为“超材料设备及使用该超材料设备的方法”的发明专利申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本申请要求享受于2013年1月17日提交的且名称为metamaterialdevicesandmethodsofusingthesame的美国临时专利申请号61/753,584、以及于2012年5月9日提交的且名称为metamaterialdevicesandmethodsofusingthesame的美国临时专利申请号61/644,736的权益；通过引用的方式将其公开的全部并入本申请。
本公开的主题涉及超材料。更具体地，本公开的主题涉及超材料设备及使用超材料设备的方法。
背景技术：
射频和毫米波(rf/mmw)成像已经被证明是对爆炸物、武器和违禁品的人类携带者进行非侵入式筛查的非常有效的组件。但是，第一代扫描仪的性能受到高资本和运营成本、对于简单对策的脆弱性、由于遮蔽和对象姿势所导致的伪影和有效分辨率、以及缺少目标专一性的限制。使用机械扫描的收发机阵列导致了有效的更新速率以及较大的尺寸和较高的成本。与完全的电子解决方案相比，机械扫描的阵列是固有的更高维护性的传感器。
常规的成像策略可以被划分成共焦和傅立叶设计。共焦系统逐点地扫描目标。傅立叶系统使用平面波照明来逐点地扫描频率空间。在时间和设备的使用方面，这些方法都是非常低效的。现代成像策略将图像信息看做编码挑战，在这种情况下，将照明和采样几何条件编程为在时间和几何限制内最大化信息传送。
鉴于前述内容，存在对改进的成像系统和技术的需求。
技术实现要素：
提供本发明内容以便以简化的形式引入选择的构思，下文在具体实施方式中对所选择的构思进行进一步描述。该发明内容并不意在标识请求保护的主题的关键特征或必要特征，也不意在用于限制请求保护的主题的保护范围。
通常，本申请中描述的本主题的一个目标包括提供用于创建电磁场分布的孔径。该孔径包括空间场分布、具有成组的标准特征的矩阵、所捕获的数据、视场、所捕获的数据的信号与噪声比、所捕获的数据的分辨率、对所捕获的数据的对比、数据捕获的速率、以及所捕获的数据的质量。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中所述空间场分布在频率上任意编码。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中空间场分布包括随机场。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中空间场分布包括伪随机场。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中空间场包括小波图像。
本主题的又一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中所述空间场分布包括傅立叶图案。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，该孔径具有面板。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该面板包括平面结构。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该面板包括弹性的或保形的结构。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该面板包括足够支持在其表面上的业务的、在机械上健壮的结构。
本主题的又一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该面板包括足够地低密度以支持安装在或挂在建筑元件上或作为建筑元件的材料。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中电磁场分布可重配置。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该可重配置性调整视场。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该可重配置性调整分辨率。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该可重配置性调整属性，该属性在增加或降低数据捕获的数据的同时，降低或增加所捕获数据的质量。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该属性包括信噪比。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该属性包括在所捕获的数据的任意基础上的所述分辨率。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该属性包括对所捕获数据的对比。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中所述属性包括将分析模型匹配到所捕获的数据的真实物理模型。
本主题的又一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该属性包括孔径的矩阵特征。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中矩阵特征包括在奇异值谱下方的区域。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中矩阵特征包括基础相干。
本主题的又一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中矩阵特征包括子空间匹配。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，该孔径还包括所设计的数学阵列因子。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中阵列因子包括用于频率分集的模块。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中频率分集模块包括在所述阵列元件中的分散。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中频率分集模块在所述超材料收发机的所述信号源中的分散。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中阵列因子包括用于相对于调谐参数基于非卷积的前向模型的模块。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中模型模块包括波束图案分集，该波束图案分集包括所捕获数据的成组的过定(over-determined)模式。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中该模型模块包括波束图案分集，该波束图案分集包括最大化旁瓣。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中阵列因子包括用于跨频率分布能量的模块。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中能量分布模块包括跨视场的均匀分布。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中能量分布模块包括任意编码方案。
本主题的一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中任意编码方案包括随机分布的场。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中任意的编码方案包括伪随机分布的场。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中任意的编码方案包括小波图案。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中任意的编码方案包括傅立叶图案。
本主题的又一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中任意的编码方案包括正弦函数的和。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中能量分布模块包括用于优先地聚焦在视场内所研究的区域的模块。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中能量分布模块包括视场内的适应性。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中适应性包括选择频率子集。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中适应性包括外部调谐激励。
本主题的又一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中适应性包括过完整信号集。
本主题的另一实施方式包括孔径、由孔径组成、或本质上是由孔径组成，其中能量分布模块利用线性频率调制(lfm)测距工作良好。
本申请中描述的本主题的另一目标包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，该天线包括能够发送和接收信号的超材料元件阵列。
本主题的一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，该天线还包括如上文所述的孔径，由此通过超材料元件阵列产生电场分布。
本主题的另一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中超材料元件能电气重配置。
本主题的一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中电气重配置发生在单位晶格级别上、在块或部分中、或在所展开的连续分布中。
本主题的一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中超材料元件阵列包括用于频率编码的模块。
本主题的一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中频率编码模块包括频率分散模式。
本主题的另一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，频率编码模块包括单个频率分集。
本主题的又一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中频率编码模块包括当被白化时具有良好属性的矩阵。
本主题的另一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中超材料元件包括通过硅调谐肖特基二极管可调谐的元件，由此能够实现所述电气重配置。
本主题的又一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中超材料元件包括通过硅调谐pn结可调谐的元件，由此能够实现所述电气重配置。
本主题的另一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中超材料阵列包括对于极化选择有利的元件设计。
本主题的另一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中超材料阵列元件包括对于单位晶格指向性有利的单元设计。
本主题的另一实施方式包括天线、由天线组成、或本质上是由天线组成，其中超材料元件是互补超材料元件。
本主题的另一目标包括超材料收发机、由超材料收发机组成、或本质上是由超材料收发机组成，该超材料收发机包括信号源；如上文所述的天线；以及信号检测器，其中信号源和信号检测器可操作地连接到天线。
本主题的另一目标包括使用超材料收发机的成像的方法、由使用超材料收发机的成像的方法组成、或本质上是由使用超材料收发机的成像的方法组成，该成像的方法包括从天线发送多模信号，并在所述多模信号通过遇到场景已经被转换之后接收所转换的信号，以及解释所述所转换的信号以生成所述场景的图像。
本主题的一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，该成像的方法还包括将超材料收发机设置在建筑元件上或中，由此产生对象的图像。
本主题的一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，其中对象是能够运动的。
本主题的一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，其中场景包括运动中的一个或多个对象。
本主题的一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，该方法还包括向收发机分配图像生成速率。
本主题的一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，该方法还包括使一个或多个移动对象成像。
本主题的一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，该方法还包括跟踪移动的对象。
本主题的一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，该方法还包括使用所跟踪的移动的对象信息分配图像生成速率。
本主题的另一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，其中超材料元件阵列是二维阵列。
本主题的另一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，其中该天线被配置用于压缩成像。
本主题的一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，其中所述天线被配置用于组合多个多模成像技术。
本主题的又一实施方式包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，其中所述72所述天线被配置用于多带传感。
本主题的另一目标包括成像的方法、由成像的方法组成、或本质上由成像的方法组成，该成像的方法包括从超材料收发机发送多模信号，该超材料收发机包括互补超材料元件的二维阵列；通过遇到要成像的场景转换所发送的多模信号；由所述超材料收发机接收所转换的信号；以及从所转换的信号生成场景的图像。
本主题的又一目标包括本申请中描述和说明的一切、由本申请中描述和说明的一切组成、或本质上由本申请中描述和说明的一切组成。
附图说明
当结合附图阅读时，更好地理解了前述的发明内容以及下文对各个实施方式的详细描述。为了说明的目的，在附图中示出了示例性的实施方式；但是，当前所公开的主题不受限于所公开的特定方法和工具。在附图中：
图1是对平板超材料天线的描绘，其中插图突出了在外敷层下面的超材料元件。外敷层可以用于掩盖天线的存在。
图2描绘了示出了示例性位置的图，在该位置，为了安全的目的根据本公开实施方式的基于超材料收发机的成像器可以用于对人们成像。
图3描绘了示例性的散装超材料元件在上面且其互补件在下面的图。
图4描绘了平面型超材料波导在上面且其微带传输线在下面的图。
图5描绘了针对具有周期性的阵列因子aj(ω)的一维微带超成像器(metaimager)的示例性设计和远场分布。俯视图是10个频率不同的超材料共振器元件的分散设计。左下角是共振器沿微带的周期性“锯齿形”布局。右边是作为频率的函数的远场角分布。单位是弧度，其中示出转向大致超过40°。
图6是针对设计成最大化采样分集的方形超成像器面板的远场图像。其是根据方位角和仰角而变化的功率谱密度(跨操作频带集成的)。
图7描绘了使用结构化的光传感器(
图8描绘了(a)1d超成像器阵列，以及(b)单个子衍射极限散射器的实验场景。
图9描绘了四个不同场景的1+1d(角度和范围)超成像器图像，其每一个由单个子衍射极限散射器组成。圆圈标记了散射器的真实位置。
图10是用于超成像器的示例性rf收发机子系统的框图。
图11描绘了根据本公开实施方式的原型超成像器的示例性的单位晶格和总尺寸的图。
图12a-c是示出对常规的和根据本公开一实施方式的压缩成像方案进行比较的图。常规的成像可以使用透镜来形成将对象的所有部分有效地映射到检测器/成像平面的测量模式。每一模式可以贡献非常具体和局部的信息，且使用像素阵列或其他检测器可以同时捕获所有模式。在单个像素的方案中，可以使用许多类型的模式来形成图像，其中顺序地捕获测量结果。在图12b中示出的示例中，可以使用随机的(在相位和振幅上)掩蔽来将模式投射到对整个场景进行采样的远场。所描绘的掩蔽同时充当将光聚焦到单个像素检测器的全息光学仪器。在此于图12c中报告的微波超材料成像器使用向全息的elc阵列进行馈电的平面型波导。波导充当单个像素设备，其中elc阵列用于产生照明空间模式。
图13a和b在图a中描绘了根据本公开一实施方式的实验装置的示意图，且在图b中描绘了示出根据本公开的实验装置的单位晶格的尺寸的图。在图a中，网络分析器驱动照明角(端口1)和超材料接收孔径(端口2)，测量s21。向进行场景重构的pc传送数据。图b以毫米为单位示出了单位晶格的尺寸，其中iy＝1.2、ix＝2.2、w1＝0.2、w2＝0.1、以及px＝2.8。gx可以从0.5变到1.5且其控制celc共振的频率。
图14a-c描绘了示出根据本公开的一实施方式使用共振的超材料孔径来创建频率捷变模式分布的图。这些图描绘了使用共振的超材料孔径来创建频率捷变模式分布。根据仿真，远场电场描述了在两个频率18.5ghz(在图a中)以及21.8ghz(在图b中)处的超成像器带的轮廓。图c示出了跨整个k带在4米的范围内测得的测量矩阵(e场孔径)的图。
图15描绘了示出根据本公开一实施方式的四个场景的图，其中每一场景由两个10厘米的散射对象组成。实线的“+”示出了对象的实际位置，而像素示出了之后重构的图像。像素尺寸反映了由空间带宽产品给出的最大仪器分辨率。已经从±70°角度和1.5-4米范围的整个视场修剪了该图像。
图16根据本公开一实施方式描绘了示出通过示出角度-范围-时间的场景对单个对象进行视频速率跟踪的图像。每一体元的大小被设置为从蓝色到红色在时间上匹配超成像器的空间-时间分辨率。在右侧的是示出角度相对于时间以及范围相对于时间的对数据的2d正射投影。
图17a-b根据本公开的一实施方式描绘了分别表示传输矩阵方法的曲线图和图像。曲线图和图像a描绘了示例性传输矩阵的代表，其示出了不时被celc打断的单位晶格的电压节点的长传输线。每一单位晶格被表示成2x2t矩阵，其参数通过有限元仿真来找到。图17b示出了针对波导中的电场的传输矩阵解决方案，在每一celc的中心处进行评估，且所产生的电场在孔径的表面上。
图18a-b根据本公开的一实施方式分别示出了celc单位晶格的设计和单位晶格的优化矩阵。图18a描绘了celc单位晶格的设计。图18b示出了针对设计几何结构w2i1的优化矩阵。
图19a-b是根据本公开一实施方式的示出用于twist重构的最佳平均误差的曲线图。重构具有利用扫描光束成像器(红，表示为r)所测量的一和两点场景，且超材料孔径成像器呈现在主文本(蓝，表示为b)中。上述误差是针对最优正则化参数在重构的图像与真实的图像之间的重构距离之间的平均欧式距离。图19a示出了针对两种成像模式的误差表面。图19b示出了最佳成像模式相对于采样百分比和噪声。明显的是，对于欠采样的场景，超材料孔径成像器在扫描的光束成像器中表现突出，只要噪声功率低于关键的级别-在该点处超材料成像器的重构误差迅速增加。
具体实施方式
为了满足法定需求，对目前所公开的主题进行特殊描述。但是，描述自身并不意在限制本专利的保护范围。而是，发明人已经预期了结合其他当前的或未来的技术，也可以以其他的方式来实施请求保护的主题，以包含与在本文档中所描述的步骤或元件相类似的不同的步骤或元件。此外，虽然在本申请中可以使用术语“步骤”来暗示所使用的方法的不同方面，但是该术语不应该被解释为在本申请中公开的各个步骤之中或之间隐含任何特定的顺序，除非且除了当明确描述了个别步骤的顺序之外。
本主题的实施方式针对成像系统设计提供了一种方式以针对光学光谱及光谱成像、全息摄影术和毫米波成像、x线断层摄影术、以及人跟踪及识别发展压缩成像系统。因为自然图像总是可以使用与原始像素图相比复杂性低得多的字典(dictionary)或基质来表示，因此压缩成像是可能的。所测量的数据从未真正随机；这个事实的经典示例是，在诸如离散余弦变换(dct)或哈尔小波基础之类的非规范基础上，自然图像可以被存储地更有效地多。已经在测量后图像压缩的背景下建立了在指定的基质(basis)中表示图像的优点。压缩测量将数据压缩推进了物理测量层。
如由该术语所暗示的，压缩测量由以与测量次数相比更大的数量来估计图像像素组成。以线性组合来测量场景像素的多路测量通常需要压缩采样。毫米波成像器以及其他的相干或无焦系统适合压缩采样。在压缩测量系统中，测量过程可以被认为是两个线性投影的合成的过程。例如，考虑测量模型g＝hf，其中h＝φψ。矩阵h＝φψ从在其上其是稀疏的基上将f投影到典范基中。矩阵φ是物理传感矩阵。系统设计员在物理设计约束内任意选择稀疏变换ψ-1和传感矩阵φ。为了成本低、单个像素rf和mmw压缩成像，可用的物理编码参数可以包括收发机辐射图和操作频率。
视频和运动跟踪也特别适合压缩传感。可以将视频想象成高维度空间-时间图像。对于该人目标的mmw成像的特定情况，时间帧设计对实体表面的平滑转换。该对在四维空间-时间中嵌入的表面进行平滑变形的数据立方体是极度稀疏的，且如果实现有效的多路编码，则其可以利用若干数量级的有效的压缩比率来捕获和重构。因为多维度分析可以对未压缩的(但是闭塞的)数据的单个时间帧实现更好的有效分辨率，所以该过程对于对运动中的人成像而言尤其重要。
可以实现使用照相机阵列的压缩视频以及在全息和高光谱系统中的压缩视频断层扫描。此外，在高光谱数据中，通过直接解压缩分类数据的推断而不是图像可以获得实质性的好处。来自被压缩的测量结果的自适应编码和分类对于mmw系统而言可能是尤其有吸引力的。
超材料-其在人造电磁介质的背景下已经出现-向压缩成像系统提供了清晰的契合，这是由于其在管理跨电磁频谱的波中的无与伦比的灵活性。超材料孔径可以被配置成以任何给定的波长或跨频带具有特定的期望的散射属性，并从而具有能够被塑造成最大化压缩成像系统的效率的散射的场图。
在本申请中使用冠词“一”以及“一个”来指一个或超过一个(即，至少一个)的本文章的语法对象。通过示例的方式，“一元件”指至少一个元件且其可以包括超过一个元件。
除非另外进行了定义，否则，在本申请中使用的所有技术术语具有与在本公开所属的技术领域中的普通技术人员中的一个通常所理解的意思相同的意思。
如在本申请中所使用的，术语“压缩成像”指利用比所测量的点更少的传感器来捕获图像。当考虑标准ccd时，其将其正测量的场景的每一所捕获的点直接映射到ccd的特定像素，而压缩成像捕获间接地耦合到一个或多个传感器的、超过一个的数据点。其被称为压缩，这是因为就像图像压缩用于减少未压缩图像的数据大小一样：压缩成像减少所捕获的图像的数据大小，但是作为获取图像的图像获取的一部分而这么做。通常以与该场景或孔径的规范基础不同的基础来考虑所列举的所测量的数据集和压缩。
如在本申请中所使用的，术语“celc”指互补的电lc超材料元件，其包括象标准超材料一样的许多属性，但是其是形状互补的，例如在图3的下部所示出的。在本申请中包括互补超材料元件的实施方式利用各种互补超材料元件，如在美国专利申请公开no.2010/0156573、d.r.smith等的、“metamaterialsforsurfacesandwaveguides(用于表面和波导的超材料)”中所描述的，通过引用将其并入本申请；以及在美国专利申请公开no.2012/0194399、e.bily等的“surfacescatteringantennas(表面散射天线)”中所描述的，通过引用将其并入本申请；且如本公开中的其它地方所描述的。互补超材料元件也可以被配置成是可调节的，例如，如在前面的smith中以及前面的bily中所描述的。可调节的互补超材料元件可以包括响应于电压输入(例如，用于主动元件(例如变容器、晶体管、二极管)或用于包括可调介电材料(例如铁电体或液晶)的元件的偏置电压)、电流输入(例如，将电荷载体直接注入活动元件)、光学输入(例如，光敏材料的照明)、场输入(例如，用于包含非线性磁材料的元件的磁场)、机械输入(例如，mems、执行器、液压装置)等可调节。
此外，对于本申请中包括互补超材料元件的实施方式而言，通过利用虹膜和位于虹膜上面的贴片来替代定义每一互补元件的传导面孔径，可以通过子波长贴片元件来代替互补超材料元件。例如，在美国专利申请no.13/838,934、e.bily等的“surfacescatteringantennaimprovements(表面散射天线改进)”中描述了子波长贴片元件，通过引用将其并入本申请。通过将可调介电材料放置在每一贴片和在下面的超导面之间，或通过在传导面与每一贴片之间连接活动元件(例如变容器、晶体管、或二级管)，这些子波长贴片元件也可以配置成可调节的。
虽然本公开提出了rf和mmw应用的具体示例，但是这是示例并不意在进行限制，且可以在从rf(包括微波)和mmw频率中选择的频率或频率范围上采用本申请中描述的方式。在一些方法中，操作频率或频带是从诸如l、s、c、x、ku、k、ka、q、u、v、e、w、f、和d之类的频带中选择的、与从大约1ghz到170ghz范围的频率以及从毫米到几十厘米范围的自由空间波长相对应的微波频率或频带。在其它方法中，操作频率或频带是低于微波频率的rf频率或频带，例如在大约100mhz到1ghz的范围内。在其他的方法中，操作频率是毫米波频率，例如在大约30ghz到300ghz的范围内。这些尺度的范围容许使用传统的印刷电路板或光刻技术来制造超材料元件。
本主题的一目标包括创建了电磁场分布的孔径，其被设计成访问与场景有关的测量数据。这可以包括照明、数据接收、或两者(收发机)。在一些实施方式中，可以在频率上对空间场分布进行任意编码，包括但不限于：随机场、伪随机场、小波模式、以及傅立叶模式。在一些实施方式中，孔径的物理表现形式可以是平面的、有弹性的、保形的、机械上健壮地足够支持地面部署以及可能的人或交通车辆、或具有足够低的密度或重量以允许挂在建筑元件上或作为建筑元件。在一些实施方式中，该孔径可以以包括如下各项的方式重新配置：调整视场；改变分辨率；以及调整诸如信噪比之类的影响数据捕获的速度/质量折中的属性、在任意基质中的分辨率、对比度、如在奇异值谱线下面的面积或基础相干或子空间匹配的矩阵特征、或调整分析模型到真实物理模型的匹配。
本主题的另一目标包括设计在面板或孔径中表示的数学阵列因子。在一些实施方式中，阵列因子可以利用诸如在阵列元素中分散、在能量馈电或输入结构中分散、或者其它的方法来允许频率分集(电磁模式分布的速率变化)。在一些实施方式中，阵列因子可以允许针对调谐的基于非卷积的前向建模，其可以包括是过度的场景模式集的光束模式分集、最大化旁瓣(其是传统方法的对立面)的光束模式或其他的。在一些实施方式中，阵列因子可以给出特定能量分布，当在所有频率中集成时，其可以：在整个视场中均匀分布；在能量分布方案中被任意编码，其包括但不限于随机分布场、伪随机分布场、小波模式、傅立叶模式、通过正弦函数的和对上述中的任何一个的近似、正弦函数的和以及其他的；在一些实例中，聚焦在视场内所研究的区域上；通过所选择的频率子集的方式、通过使用包括但不限于电压的外部调谐激励、通过过完备的信号集的方式、或其他的在视场内适应性地引导；以与lfm测距一起很好工作的形式，包括但不限于连续方向性的频带；或其他的。
本主题的另一目标包括包含超材料元件阵列的天线。可以单独地且唯一地设计超材料元件。这允许生成并接收较宽范围的信号，例如频率分散的模式。超材料元件可以用于生成并观测频率编码的信号，包括频率分散的模式、单个频率分集、当变白时具有良好属性的矩阵、或其他的。可以利用极化选择、单位晶格方向性、或想到的其他属性来设计超材料元件。如果该天线用于发射信号和接收通过遇到该场景而转换的信号，发射刺激信号和所接收的测量信号可以在相同的硬件上工作。互补超材料元件(参见图3，下部的两个)可以用于简化该设计，如在图1和4中所看见的。通过使用超材料元件来生成电场分布，该天线可以包括先前所讨论的孔径。另外，天线的超材料元件阵列可以包含先前所讨论的数学阵列因子。
本主题的另一目标包括超材料收发机。本申请中所讨论的天线可以在收发机中使用，其中所生成的信号可以通过场景转换，并且然后由相同的超材料天线观测。该收发机可以用于生成多模信号。超材料技术使得能够实现能够针对单个像素压缩测量利用频率分集的、极大地降低了rf/mmw成像的成本和复杂性的、较大的、平板固定的孔径阵列。在图1中提供了在二维超材料元件阵列中的其一示例。该收发机可以配置用于压缩成像、用于使用多个多模式技术、多频带传感以及其它的。利用超材料收发机，图像帧速率不再受到机械扫描限制，且其在原理上能被扩展到每秒100s或1000s帧。这些高帧速率为对未摆姿势的移动主体进行mmw程序提供了可能性。超材料收发机可以放置在建筑元件上或中，并且其可以用于观察移动对象。利用该收发机可以调整图像生成速率。可以跟踪移动对象，且通过使用关于所跟踪的对象的信息，可以动态地改变图像生成速率，这对于准确地观测更快速移动的对象而言尤其有用。
本主题的另一目标包括具有能电气重配置的超材料元件的超材料天线，其可以提供动态的孔径。可以在跨天线的连续分布中通过单位晶格、块、部分或其他的方法来实现能重配置性。能重配置性可以利用利用了现有显示技术的液晶方式来实现，并且其可以与超材料孔径集成以形成动态的孔径，其可以动态地可配置，这允许在单频模式中操作。还可以利用硅调节肖特基二极管或硅调节pn结或其他的来实现孔径的可重配置性。
本主题的另一目标是设计特定的硬件。具体地，本申请中描述的孔径、天线、或收发机可以是rf链的一部分。
本主题的另一目标是压缩采样。图像重构工具可以被设计成匹配收发机、孔径、或天线的编码。图像可以在图像采样中通过硬件级别的加密和压缩进行压缩和加密，例如当伪随机地对该图像进行采样时。该加密可以用于保护私人的或军事上重要的信息，并且其甚至可以完全地通过计算机处理，仅当可能检测到异常现象或危险的元件时，才针对人眼重构图像。超材料收发机提供了理想的物理层以能够实现压缩程序方案。通过利用比当前的技术少得多的收发机和测量来实现成像，以及通过在非结构化的环境中实现图像捕获以及自动图像分析和分类，压缩成像可以减少部署和操作成本。压缩采样的基础可以被设计成：响应于所研究的目标；最小化诸如多径的场景干扰；具有空扫描的场，可能用于处理斑点；具有基于场景的可见的或红外的信息来选择的自适应基础；或其他的。对压缩采样的校准可以使用已知的目标或边界值。
本主题的另一目标是多谱成像。信息的多谱可以用于辅助特定部分的成像，例如用于定义所研究的区域。该孔径、天线或收发机的优点在于，在相同的视角的情况下，多谱成像资源和收发机可以位于相同的位置中。作为示例，假设一恐怖分子在人群中携带炸弹，如由可见的信息所定义的已知的所研究区域可以用于瞄准完全相同的所研究的区域，假设利用毫米波成像，而无需调整位置、角度等。此外，然后，用于识别潜在所研究的人工制品的信息可以直接地转换到另一光谱带。在上文的示例中，该技术可能用于识别人群中潜在的炸弹携带者的脸和衣服。最后，多谱程序可以利用极度量技术来辅助材料识别。
本主题的又一目标包括融合多模式的成像技术。可以利用多频带数据来组合可见的和红外的图像，以减轻特定于波长的某些形式的隐身和欺骗，以及结合特定于自适应瞄准的多径散射建模，多模式融合使得在出现昏暗时能够实现衍射受限的成像。
本主题的另一目标包括多频带检测。在千兆赫和毫米范围上的单像素超材料收发机的低成本使得能够从稀疏或有限的孔径以及基于分散和吸收特征的材料特异性来实现波长受限的成像。
本主题的又一目标包括基于与使得能够实现各种各样的成像形式的压缩成像方案(图1中描绘的“超成像器”)唯一兼容的、可缩放的、平面超材料收发机的高级射频(rf)和毫米波(mmw)成像系统。术语“超成像器”指用于根据本主题的实施方式成像的超材料设备。作为示例，超成像器可以使用在x频带(8-12ghz)频率下在初步的、一维(1d)成像测量中使用固定的孔径设计。这可以转换到能够满足跨广泛频谱的、与安全相关的应用的任务需求的功能平台。
通过示例性的方式而不是限制的方式提供了以下的示例。
根据本主题的示例，诸如超成像器之类的超材料设备可以包括形成平面波导的薄片，其由单个rf或mmw源馈电且耦合到单个检测器。波导的上导体可以利用超材料元件来形成图案，超材料中的每一个表现得象偶极源，产生明确定义的辐射图案。超成像器可以工作在两种模式下。第一模式可以是固定孔径，其中超材料元件的散射属性通过其几何结构固定。在固定孔径的操作中，在预定带宽上的多个频率用于调整超材料元件的辐射效率，并从而跨频率带宽对场景信息进行编码。在更高级的第二模式中，其可以被称为“动态孔径”，通过外部数据控制元件在电气上被重配置，提供了在给定频率调整波束图案的功能，并针对单数的载波频率生成多个空间分布。该动态形式允许自适应的光学(没有移动部分或高成本移相器)以及高光谱成像，这增加了识别场景内的材料特征的可能性。下文描述了该技术的实施方式。
超成像器的示例性益处可以是封装(footprint)紧凑以及低成本。通过去除庞大的机械扫描、精致传统的光学器件、以及昂贵的相空阵电子器件可以实现这些益处，并且其允许在范围广泛的安全场景上进行广泛和不显眼的部署。在超成像器的心脏处的薄宽度收发机平板允许其布置在各种位置。参考图2，可以将超成像器部署在墙a上、地板上和位于地面b上，以及与人便携的单元c一起部署。
对超成像器的示例性使用是部署在墙上-不显眼地位于海报后面或嵌入到结构部分中。面板自身仅包括总单位成本的一小部分，使得能够“以平方英尺”进行广泛地灵活的部署。当主体走过超成像器的较场面板时，通过集成所获取的数据，可以获得具有各种主体姿势的更长的观测时间。
去除任何精致的光学仪器或机械部分使得超成像器面板健壮地足够在与其环境进行物理上的交互时幸存。地面部署，或嵌入到斜坡或人行道中，或甚至潜在地简单放置在诸如地毯之类的地板遮盖物下面，即使在开放区域都具有放置的可能性。地面部署为对利用传统的门户技术难以或不可能成像的身体的区域成像提供了独特的有利位置。
超成像器的另一示例性益处是其轻型面板。轻型的超成像面板，其没有重的传统的扫描组件，提供了人便携单元的可能性。服务器侧硬件实现的成像处理可以使得能够实现远程操作。
超成像器可以为压缩视频断层扫描提供有力的平台。在一示例中，超成像器可以一次一模式的进行投影。基于场景当前的状态以及过去的测量，可以对每一投影进行自适应地编程。每次进行投影时，可以将当前的帧重构在操作员所选择的任何时间尺度上，这提供了根据应用规定在时间和空间分辨率之间进行折中的容易的方式。已经利用多采集编码孔径快照光谱成像器(cassi)实验性地对类似的折中进行了探索。
下表1给出了组合的超成像器的一些示例性属性。这些示例性属性包括但不限于：
表1：利用超材料进行波束成形
超材料已经被视为可以对入射电磁波提供定制的响应的结构化的散射对象。即，超材料器件可以被认为是形成传统材料的原子和分子的类似物。通过将这样的超材料元件构造成阵列，可以设计人造的介质使其具有超过在自然中的那些介质的属性。由于超材料的属性取决于几何结构而不是取决于基本的、固有的过程，超材料设计可以获得在自然中找不到的光学属性，并且其可以仅通过改变器件设计的尺寸来在整个电磁频谱上缩放。最初地，大多数的超材料研究聚焦在自由传播电磁波的路径中的悬浮的(suspending)超材料元件。但是，于在超材料最初的微波展示之后接着发生的多年的研究期间，更广泛地多的超材料几何结构被追求，包括传输线和导波超材料。
通过设计边界导体中的一个或两个的图案，导波超材料可以被添加到许多另外的传统的传输线和平行板波导设备。添加该表面图案可以对波导的电磁行为产生特别的控制。虽然将自由空间类型的超材料插入波导结构是可能的，但是从制造的观点来看，该方法在技术上更复杂，并且其提供了很少的电磁优点。一种更自然的方式是将超材料元件的“补体”的图案设计成波导自身，移除金属以形成传统的超材料元件的形状，如在图3(底部)中所示出的。对于沿波导结构向下传播的波而言，互补超材料的存在使得波表现得好像它们正经过其属性是由超材料的图案确定的介质。以此方式，可以独特地控制波的传播。
除了控制波在导波结构中传播的行为，互补超材料具有其辐射到导波结构之外进入到自由空间的重要属性，从而其是形成天线的自然手段。在许多应用中，由自然共振的超材料元件所拥有的频率分散提出了不希望有的障碍。但是，在天线技术中，实际上可以以聪明的方式来利用共振超材料元件的高度分散的特性。为了形成固定孔径成像设备，具有分布式共振频率的超材料阵列可以用于将空间信息编码到频域中，从该频域，作为单频扫描的结果可以发生图像重构。该方式具有消除对庞大的机械扫描组件或昂贵的相控元件的需求的显著优点。
此外，可以利用超材料共振的敏感性使得能够通过对超材料元件周围的介电环境的相对轻微的修改来实现动态调节。健壮的、低成本的、可容易制造的用于动态调节的方法涉及在液晶的引向器(光轴)中的电压控制的变化用来充当用于转移超材料元件的共振的机制；参见美国专利申请公开no.2012/0194399、e.bily等的“surfacescatteringantennas(表面散射天线)”以及美国专利申请no.13/838,934、e.bily等的“surfacescatteringantennas(表面散射天线改进)”，通过引用的方式将其每一个并入本申请。实验暗示了可以使用现有的低成本(lcd)技术来独立地解决和调谐大数量(1000s)的互补超材料元件。该技术允许重配置超成像器孔径，并且从而重配置波束，允许使用成像的超光谱和自适应模式。可以想象的是，可以发展基于固定和动态孔径的方式的、以及将频率分集与孔径的动态可配置性结合的混合的方式成像模式。
在图4中示出了对波导结构的描述，其示出了在上导体中的超材料元件的图案具有二维(图4，顶部)或一维(图4，底部)导波几何结构。这些结构可以从标准50欧姆同轴或刚性波导馈电，并且其可以充当具有孔径的天线，该孔径很大程度上由超材料图案的区域定义。通过首先考虑在图5中示出的一维示例，可以理解超材料的操作。当导波结构由具有给定频率ωn的源馈电时，其作为具有由e(x,t)＝e0exp[i(nwgxωn/c-ωt)-γx]描述的场振幅的阻尼平面波沿着引导传播。从而该传播的导波向每一超材料元件馈电，超材料元件继而大致上作为点偶极子辐射到天线上方的空间中。从而，远场辐射图案可以以联想到用于相控阵的图案的方式来描述，或以下式来描述
在该方程中，远程单元件辐射图案乘以阵列因子的模拟，由在频率上针对辐射源中的每一个的复振幅值的和组成。在此，已经忽略了极化，根据实施方式，可以在超成像器设计中管理波的两个极化，其允许偏振式成像方案。方程1中的括号中的阵列因子可以被看成是第p个共振器的耦合振幅ap(ω)、几何路径长度因子、以及导波在第p个共振器的位置处的相位的乘积的和。互补超材料元件具有大致上可以由洛伦兹因子形式描述的共振，
其中f是耦合强度且ωr和γ分别是共振频率和阻尼因子。为了比较的
目的，来自传统的相控阵的相等的远场是
应该注意的是，在相控阵系统中，仅通过每一辐射体的相位
对具有诸如在方程1中表示的之类的简单模型的超成像器的描述可以允许以更高的效率分析性地和在数字上分析成像场景。可以迅速地探索各种压缩成像方案和算法的强度和弱点，获得对本质的理解。可以并行地或甚至与硬件设计开发集成地来进行这个探索。在此，展示了数字驱动的设计探索的力量以及关于细节操作。在一维微带线的简单情况下(例如在图4中)最容易解释利用自然超材料分散的方式。在图5中，针对在元件共振频率中具有重复的、线性的斜率(即，“锯齿形”轮廓)的波导考虑了方程1的解。
使用在本申请中描述的一维系统中的简单图案的共振超材料，利用对由频率扫描引入的波束的方向的控制可以实现明确定义的波束(以θ表示)。该一维锯齿型系统的操作使人联想到频率扫描的阵列雷达系统。但是，超材料元件准许对阵列因子的具体控制，而频率扫描的阵列系统不允许。此外，使用共振的超材料元件针对固定孔径给出了增加的耦合效率。
虽然一维情况用以展示操作原理，但是波束角与频率之间的近线性映射不适合压缩成像方案。为了示出最大程度不同的采样场景，在图6中考虑了随机共振器配置。此外，为了证明该用于设计的简单模型的力量，将实验升级到操作在x频带的二维的方形(30cm2)超成像器平板。这样的超成像器平板包含20，000个元件，且我们的基于模型的方法允许我们迅速地设计这样的平板，对于每一配置用分钟而不是天(fdtd、fe方法)。
对于压缩成像，尤其是对于第一代未优化的收发机，该二维超成像器平板的结果是非常有希望的。看图6的左边框架，集成了频率的功率谱密度示出了在方位角上覆盖了满±90度视野、且在高度上接近±45度的波束。在操作的分散成像模式中，在该区域中包含的空间信息(场景)被重映射到频率基准。
关于收发机设计和优化，在收发机面板中使用超材料元件可以在波束配置方面提供对巨大的设计空间的使用。可以将超成像器的天线方面配对到特定的成像算法和处理硬件，作为系统全部被联合优化以最大化各种实现和场景。此外，操作的各种模式(例如，可重配置、高光谱、频率分集、混合、等)可以从不同的波束收发机平面配置中受益。在任何给定的设计空间中，在收发机面板布局中的许多选择可能看上去似乎是相当的。在这样的情况下，结合诸如遗传算法之类的设计迭代方法，使用诸如奇异值分解之类的、算法适当的度量的比较可以用于发现全局优化的设计。超材料面板及其拟被考虑的环境的重要属性包括但不限于：超材料元件振荡器强度、元件耦合、以及质量因子；场景稀疏与深度；以及波束基准集选择。超材料元件振荡器强度、元件耦合、以及质量因子可以被认为与可用的带宽和孔径相关。在可用的空间带宽产品中，这些核心属性的比率是主要的控制因子，成像设备的关键度量。由于压缩成像作为压缩技术跨越了各种各样的硬件和算法，所以场景稀疏和深度可能是重要的。要询问的场景的构成对适当的压缩成像分析技术和数据收集所需的数量和稀疏具有重要影响。这些反过来对超成像器收发机平板的期望配置有影响。波束基准集选择影响超成像器收发机配置的布局并且其能够导致波束配置跨越一系列的采样分集。这些配置中的许多可能是冗余的，尤其是当依赖随机/伪随机的配置时。虽然当采样分集被最大化时，可以预期该基准内的微小退化，但是过多的退化可能负面地影响信噪比，并且从而影响成像速度，浪费了计算能力。
根据实施方式，可以集成光电(eo)/红外(ir)传感和图形处理单元(gpu)处理。超成像器的平面几何条件允许在平板形式因子中简单集成eo/ir传感。eo检测器可以允许在可见波长成像。该多谱方式可以产生若干优点，最重要的是由于极大地增加了获得对mmw和eo/ir透明或与衣服或人类皮肤相比表现出较低对比度的材料的难度而对简单对策的所改进的抵抗。此外，eo/ir图像允许验证压缩感知到的mmw图像，以确保对主体几何结构的真实捕获。在衍射极限中，与mmw传感器相比，微米级波长的eo/ir传感器支持更高的距离和角度分辨率。从eo/ir图像推断的表面可以用于针对用于解决在给定场景中的材料的电磁属性的格林函数定义边界条件。
在利用诸如
从eo/ir和mmw数据的结合实时分解场景的能力是用于在诸如公共交通和建筑物安全应用之类的不受约束的复杂场景中成像所需的能力。在这些应用中，在利用机械扫描的传感器阵列进行成像时安装需要主体停下来并采用固定的姿势的、传统的、基于便携的mmw成像器是不可行的。超成像器的全电子图像捕获由可从eo/ir传感器可获得的图像质量和高帧速率补充。
除了由超成像器技术实现的潜在的成像性能改进之外，可以预期与今天的机械扫描mmw收发机阵列相比超成像器可以产生低得多的捕获和维护成本。从多收发机的机械扫描阵列转换到全电子超成像器可以除去机械组件的大小、重量和高成本以及减少由于可能最终在诸如公共交通平台之类的恶劣环境中困扰任何机械系统的灰尘和振动所导致的失败模式。超成像器可以被密封在不需要维护的、防尘和防潮的外壳中。
根据实施方式的超成像器的平面几何可以利用添加了从高容量显示器制造行业借来的技术的完善的印刷电路技术。这可以允许使用完全商品化的制造过程来制造超成像器部件和组件。每一超成像器所需的单个rf收发机具有将rf/mmw测试的成本减少超过现有多收发机方法的数量级的潜能。
根据实施方式，提供了单个模式测量系统。在一个成像形式中，基于单个检测器的超成像器一次测量一个模式。假定每模式的积分时间被限制在同时测量n个模式的系统的积分时间的1/n，如果测量中的噪声与积分时间成正比，则信噪比(snr)将好像比并行测量系统的信噪比差
关于超成像系统将进行的工作已经聚焦于在x频带频率上的一维(仅沿着单个角维度变化)以及1+1d(沿着一个角维度和一个距离维度变化)实现。两种成像模式都使用在图8(a)中示出的相同的微带传输线超天线，但是使用不同的数据捕获和计算方法。在一维情况下，记录所返回的信号的振幅，且仅可以重构具有角度变化的场景。
在1+1d情况下，还可以记录相位信息，且可以重构在角度和距离方面具有变化的场景。由于每一频率仅携带一个空间采样模式，所有所测量的数据被高度压缩。通过确切的知道场景要成像的距离，可以获得完整的空间模式集并完美地重构角图像至衍射极限。此外，如果确切地知道对象以哪一角度出现，则可以定位其到等同频带的短脉冲的精度的距离。知道在某一基准中该场景是稀疏的使得在这些冲突的利益之间能够折中。如在图8(b)中所示出的，已经获得了对1+1d场景(角度和距离)的在该类型的各种角度以及距离的点的重构。在图9中示出了重构的图像。
在一实施方式中，作为可伸缩性的展示，伸缩至100ghz的共振器设计可以具有在500微米级别的单位晶格尺寸，其最小特征大约为25um或mil。这些针对100ghz的超成像器的预计的制造限制与适当的制造技术和商业厂商兼容。例如，厂商microconnex可以利用光刻技术在大范围的衬底上在30x30厘米上实现25微米迹线和空间。在这些频率上也容易满足材料需求，铜导体和聚酰亚胺衬底是典型的兼容的选择。
在一实施方式中，硅和多晶硅用于形成可操作通过100ghz的超成像器。许多标准cmos工艺的兼容性可以允许将有源区集成到散射元素的元件中。这能用于形成动态孔径。可以使用适当的化学或电子掺杂来修改硅和多晶硅的区域，这影响了散射元素响应。已经证明在相关的mmw频率上，这样的有源超材料技术可以适用。
根据实施方式，超材料可以用于形成可以被配置用于对场景数据进行最优压缩成像的孔径。这个灵活的、专门设计的孔径可以允许在物理层硬件上而不是在后加工中执行图像压缩，这避免了与对场景的完全衍射受限采样相关联的检测器、存储器和传输成本。为了证明该方法，导波材料的孔径已经被用于在k频带(18-26ghz)频率上对二维稀疏静止的和视频场景执行快速的压缩成像，其使用频率分集来避免机械扫描。可以利用40：1压缩比率来完整图像捕获。
要注意的是，图像系统的特征可以在于对象维度(例如，用于照片的二维)以及信息维度(例如，图像中的像素数)。许多传统的成像系统是围绕对象维度必须保存在信息维度中而不管场景的固有信息内容如何这样的假设来建立的。在这个意义上，压缩测量利用了测量无需保存维度形式的实现。实际上，维度的概念假定测量在某些空间中是有序的。该有序隐含了相邻的测量对类似的对象数据进行采样。但是，如果由连续的测量所测量的对象数据尽可能的不同，则信息传输效率可以被最大化。
在衍射极限处，用于形成图像的孔径的有限尺寸利用了最小的像素维度n，其等同于精确地再现任意场景所需的测量模式的数目。该维度被称为空间带宽积(sbp)。在传统的成像系统中，测量模式可能被看作是对场景的所有部分进行采样的衍射受限点(例如，参考图12a)。由于这些模式在检测器平面中有很少的或没有空间重叠，因此其可以利用诸如电荷耦合装置(ccd)阵列之类的n个检测器几乎独立地和同时地获得。但是，要注意的是，对于典型的场景，许多模式提供了很少的或没有提供有用的数据。由于该原因，可以大幅地压缩自然图像而没有过多的图像保真度的损失。事实上，现在所有的电子图像都适用诸如jpeg之类的算法来进行压缩，且在压缩采样的核心处存在大多数场景包含冗余信息的属性。
可以对测量模式进行概括，使得可以利用关系g＝hf在机械上表达成像过程，其中g是收集的测量结果，h是测量矩阵(所有测量模式的行式阵列)，且f是所采样的场景。为了形成测量结果的完整确定的数据集(从而针对f能够实现唯一解)，h的秩必须等于场景的sbp。压缩采样允许对未确定场景的重构，使用最小化问题自变量步长(argmin)来找到f，
用于射频和毫米波电磁的成像系统通常有两种类型：单像素链系统以及多元件相控阵(或合成相控阵)。由经典单像素系统使用的测量模式在收集图像数据时通常是低效的。例如，栅格化扫描豆在一时刻仅收集关于空间中的一个点的信息(参加本申请中提供的示例性描述)。多元件相控阵系统在其能够访问的测量模式中具有多得多的灵活性，但是其牺牲了使单像素系统如此有吸引力的尺寸、重量、功率、和价格优势。
根据本申请中公开的实施方式的超材料孔径针对压缩成像具有独特的优势，这是因为其可以被设计成支持专门设计的测量模式。利用超材料已经在许多其他背景下示出的相同的电磁灵活性，可以构造适合单或多像素操作的成像孔径，其可以将几乎任意测量模式投射到远场，仅受孔径和共振元件的尺寸的限制。在图12b中示出了压缩成像器的底层构思，其示出了用于将分布式模式投射到场景上的全息图(其可以由超材料形成)。在这个方案中，单像素检测单个的(第i个)测量结果，其值为
因为测量模式应该被塑造成获得系统性能，所以就是在该点处压缩成像方案的物理实现满足了算法实现。根据本主体的实施方式的示例性方法使用一维超材料孔径。其可以用于对各种二维(一个角度加上距离)规范稀疏场景执行压缩成像。在一示例中，该系统可以用于在不含金属的环境中对少量金属进行检测和定位，例如这可以与安全检查应用有关。本申请中公开的成像设备可以包括泄漏的波导，其利用互补电lc(celc)超材料元件对标准微带线的顶部导体进行构图形成(例如，参见图13a)。除了孔径变成一维之外，这与图12c中的压缩图像的示意性表示类似。每一celc充当将能量从波导模式耦合到自由空间的共振元件。celc的中心频率和频谱形状控制所发送的波的振幅和相位，使得可以通过修改沿着微带的celc的几何结构来设计远场模式(参见本申请中描述的示例)。有限元、全波解算器(例如，由微波工作室、cst提供的解算器)可以用于对来自celc的辐射进行的具体设计和特征描述。通过控制单个元件的设计和分布，可以创造出几乎任何想要的孔径。
对于规范稀疏场景，测量模式的有效集是跨场景的振幅和相位空间随机地分布能量的测量模式(例如，参见图12b)。针对某一模式索引的参数来表示该随机性。在共振超材料元件中呈现的分散使得频率对于模式索引的参数而言是自然的选择，这在测量模式和频率之间创建了映射。从而，通过在可用的带宽之间对照明信号的频率进行扫描，可以顺序地获得孔径模式。在使用任意的测量模式集的图像重构中，模式尽可能的彼此正交可能是必需的，这对共振的锐度和分离提出了需求(参见本申请中公开的示例)。
在实验中，长度为16”、被设计成在来自18.5-25ghz的k频带中操作的随机模式的孔径已经被制造出来。在图14a和b中绘出了针对该设计的测量模式的两个实例，且在图14c中绘出了完整的测量矩阵。超材料孔径可以用作照明源、接收机、或同时被要求作为收发机的两功能。每一配置针对不同的场景具有优点和缺点；对于在此给出的展示，超材料天线被用作接收机。在该配置中，通过来自单个源-低方向性喇叭天线的远场辐射来照明场景。来自场景中的对象的后向散射的辐射涌进超材料孔径，在每一所测量的频率上该超材料孔径选择性地仅允许一个特定模式。使用安捷伦8365b向量网络分析器来测量所产生的(合成的)信号，如在图13a中的示例中所示出的。
为了测试超材料孔径的成像能力，在4米x4米x3米消音室内部形成若干简单的稀疏场景。每一场景包含两个或三个直径10cm、位于该室中任意位置处的散射的对象(反光镜)。图15b底部的图像示出了四个这样的场景，每一场景用一种颜色绘出(但是在图15中用灰度示出)(红色，其表示成r；绿色，其表示成g；蓝色，其表示成bl；以及黑色，其表示成bk)。色彩饱和度表示在k频带的重构场景散射密度，并且通过纯色的“+”给出对象的实际位置。所有的场景都是使用twist码(22)来重构(参见本申请中描述的示例)。
对于该尺寸和带宽的孔径，衍射受限的角度分辨率是1.7°，且带宽受限的距离分辨率是4.6厘米。跨角度±70°、距离1.5-4米的视场，这给出了4482的sbp。但是，我们的测量仅包含101个值，这表示超过40：1的压缩比率。正确地看待这一点，也进行随机选择的101次测量的光栅扫描波束成像器可以仅用2.3％的时间成功地将这些场景中的每一个进行成像(参见本申请中提供的示例)。
要注意的是，获取如在图15中描绘的场景的完整数据集仅需要100毫秒，这使得对移动场景进行成像成为诱人的可能性。从压缩成像的观点来看，蛮力的逐帧重构可能是重构连续场景的低效方式。以与先前关于单个场景的稀疏的信息有助于重构具有97％丢失的信息(40：1的压缩)的图像相同的方式，关于场景逐帧的连续性的知识意味着视频最适合以空间-时间为基础进行重构。
为了展示移动场景的成像，在将对象移动通过该场景时重复100毫秒扫描。在重构期间，可以利用已知的场景的帧间连续性来帮助选择用于我们压缩重构的正则化参数。使用该技术，可以对以～0.2m/s在线性路径上移动通过该场景的单个散射的对象进行成像和跟踪。图16示出了该重构。该曲线以角度和距离表示的对象位置根据时间加速，并描绘了通过每一绘出的体元的透明性所获得的对象散射密度。设定体元的大小以准确地表示空间-时间分辨率。为了更直观地访问复杂的数据空间，在时间上也将体元从蓝色到红色进行彩色编码；但是，在此以灰度示出。将该数据与对象运动的网络摄像头录像一起以传统的视频格式(xh264编码的mpeg4)呈现，如本申请中所描述的。
在该实验中获取速度主要受到网络分析器的限制，其被设计用于在精确地描述任意线性网络的特征时的操作灵活性而不是用于高动态范围或扫描速度。
在本申请中提出的孔径可以实现静态的、通过定制的、设置测量模式。对超材料元件的合并动态调节可以实现可重配置的测量模式，针对其可以扩展可用的孔径模式的完整集以形成对任何场景都超定的解决方案。这允许向下选择到最适合当前的成像任务的模式的子集。通过利用现有的技术来调节超材料的响应可以制造动态孔径系统，从而增加额外的控制参数(例如电压)以索引测量模式。动态调节还将孔径解放为与频率带宽协同工作或独立于频率带宽工作，这有效地实现了高光谱成像。高光谱成像可以减轻由对色散材料导致的潜在问题，在一些情况下其可以允许材料识别，且有助于改进整体的重构质量。
本申请中公开的成像系统可以将计算的成像方法与定制的孔径硬件进行组合，该定制的孔径硬件允许在用于实现照明和/或记录的物理层上执行压缩。超材料的使用可以用作用于创造这样的孔径的工具，这是因为超材料技术提供了很好理解的设计路径。利用超材料原件的共振特性还可以创造测量模式的频率分集，这给出了在没有庞大且缓慢的机械扫描装置或昂贵且易碎的移相元件的情况下，迅速扫过模式集的全电方式。
根据实施方式，提供了对前向模型的推导，其描述了使用任意的辐射孔径来使任意场景(存在于近场区域之外)成像。那些熟悉雷达方程的人可能注意到大量的重叠，但是不象传统的雷达方程，照明场内的相位的重要性需要连贯地计算电场。
考虑一系统，在该系统中一个孔径连贯地照明一场景，并且第二孔径连贯地接收由该场景散射的光。每一孔径可以耦合到单个源/检测器。让stx(x)为从源到照明孔径atx的上的点x的传输函数，且让srx(x)为从检测器到接收孔径atx上的点x的传输函数。然后，对于源电场幅值es，由下式给出穿过发射孔径的电场，
etx(x)＝stx(x)es(s2.1)
对于穿过接收天线孔径的入射电场erx(x)，在检测器处的电场强是
然后，由如下卷积来给出在由发射孔径(其中ex＝1)生成的场景点x处的场
其中
不失一般性，可以仅考虑场景中成组的离散的n个点。由en表示在观测点x’n处的场。类似地，通过将孔径看作atx数量的辐射单元的有限集合可以将发射孔径离散化，其中由rna给出在孔径位置xa处的辐射器的辐射图案。则，针对该辐射场的卷积变成，
通过将孔径看作atx数量的辐射单元的有限集合可以将接收孔径离散化，其中由rna给出在孔径位置xa处的辐射器的辐射图案。则，针对所检测的辐射场的积分变成，
可以将‘场景’定义为在空间上变化的散射密度f(x′)，使得当电场ei(x’)在场景中的一点上入射时，在该点处的散射场强是es(x′)＝f(x′)ei(x′)。当将该场景离散化时，来自场景点x′n处的‘碎片’的散射密度变成fnfijn，其中fijn是当从点xj照明该碎片时，散射到观测点xi的双基散射图案。以此方式对场景场交互离散化可以是当场景离散化足够好以至于在补丁x′n的区域上es(x′)几乎没有变化时保持的近似。
目前该公式化可以包括场景中的多个反射，当es2(x")＝f(x")es(x′)时将每一es(x′)当作与该场景进一步交互的源。但是，为了简化起见，可以忽略多径散射。然后，在接收孔径上从该场景中的xn点散射回点xa的场可以由下式给出，
且在点xa处在来自场景中所有点的总场是，
则在检测器处来自接收孔径上的所有辐射器的场幅值是
对该求和重新排序得到，
可以以矩阵形式将该线性方程写为
其中，
将hn与方程s2.4相比，要注意的是对发射和照明孔径的求和仅是由孔径辐
射的场。因此，
如果场景碎片散射图案fa′an是常数f(如果该场景是由各向同性点散射器组成，则其将是这样)或其独立于xa和xa’使得其变成fn(如果该场景是在孔径的原场中，则其可能是这样)，则hn可以被进一步简化。
如果该场景利用m个不同的发射/接收孔径组合来照明，其在检测器处给出所测量的m个电场振幅，则所有测量结果的向量可以表示成，
或，
g＝hf(s2.15)
其中，
并且，
根据实施方式，提供了一种在一维元件带上发现由单模波导馈电的孔径电场的方法。大致上，当在该工作中使用时，使用传输矩阵方法可以解决一维超材料波导孔径的孔径场。由于其可能无法考虑在超材料元件之间发生的表面波耦合，所以该模型可能是不完整的，但是其足以对孔径场给出一个定性的观点。一旦知道了孔径场，则成像问题的剩余部分遵照本申请中的描述。
可以将每一celc当作具有通过单位晶格的全波有限元仿真获得的散射传输(t-)矩阵的集总电路元件。图17a和17b描绘了该方法，在此将其详细推导。在每一点处，前向和反向传播波可以被表示成
跨每一晶格的传输函数，用t-函数来写为
这些集总电路最终作为n个单位晶格沿着传输线的长度分布，各自具有其自身的t-矩阵，其针对n+1个节点电压(具有已知的输入电压)提供了n个线性方程的系统。然后，通过单位晶格对称和中值定理，在单位晶格n的中心处的复杂电场是向内行进的波的平均值，其可以写为：
其中γn和an拟合s参数。图17b描绘了针对在该设备中使用的随机元件设计，针对波导驱动场|ewg|和辐射孔径场|eapt|的振幅的方案。
使用扫频来创建成组的唯一的测量模式需要在沿孔径的点处的复杂电场针对不同的频率充分不同。当利用有限的带宽时，频率之间的间隔变得被要使用的模式数量限制。例如，101模式在k频带意味着模式频率可以以45mhz间隔开。对于在空间上间隔开很大距离的孔径点，或对于较大的频率差异，波导中的微分相位超前确保了该条件，如在用于常规频率扫描阵列的传统的泄漏的有开槽的波导的操作中。但是，对于附近的点，在波导中几乎没有相位差，且超材料原件的共振依赖于在空间上将孔径场区分开。该考虑导致针对将质量因子(在频率孔径中共振的锐度)按优先级排序的celc元件的设计方法，如在下文的示例中所描述的。
celc超材料元件可以表现得类似于常见elc元件，但是是针对交换的电和磁极化向量。其可以表现地类似于级联的rlc带通网络以进行自由波传播。各种几何尺寸可能影响电阻、电导以及电容，其反过来将部分的rlc网络的特征修改为如下：
为了探索celc的设计空间，通过计算机仿真技术已经使用微波工作室的有限元码来执行全波解决方案。该调查的结果是在图18中示出的有效的电路模型，其描述了不同几何结构的相互作用。一旦理解了参数空间，可以将一个设计看作受制于下列分层的优先级列表的优化问题：
1)使得能够使用相对于制造容差不敏感的几何参数来控制跨k频带频谱的共振频率。
2)最大化共振器的质量因子q。
3)最小化共振器到波导的辐射耦合a。
4)最小化f0和q&a的互相依赖。
可以通过长度和宽度来控制电容和电导值中的每一个。用于对这些长度和宽度进行最后选择的过程可以为如下所述：图18a中示出的几何范围在制造约束内变化，该制造约束的最小特征大小是100微米。#3金属带(l3)的长度已经被识别为使得能够控制跨整个k频带的共振频率的单个几何特征。可以观测到最大化并联的电容c2和c4可以最大化q，从而可以将这些宽度w2和w4设置到最小(100μm)。可以最小化c1，从而可以将宽度w1设置为相对较大的200μm。在这一点之后，其它的几何参数被折中，其可以被调查为图18b中所示出的q(w3,i2),a(w3,i2),f0(w3,i2)的优化矩阵和q/a。所选择的最终的几何结构使用i2＝350和w3＝100μm。
利用超材料成像器的场景测量可以包括扫描照明和检测频率，在每一频率给出复杂电场测量。从而，测量向量g可以是成像系统双基传输的频谱。如本申请中所讨论的，这通过线性方程g＝hf来描述，其中f是未知的场景散射密度(即，想要确定的图像)，h描述了成像系统的辐射模式相与频率的关系，并且g是所测得的传输频谱。通过找到优化问题的解，可以解决重构图像的问题。
因为已知该场景由少且小的点对象组成，在规范的基础上可以预期其是稀疏的，因此选择其来最小化所估计图像的l1范数。
可以使用各种算法来解决该优化问题。在一示例中，可以利用由bioucas-dias和figueiredo提出的两步迭代软阈值算法(twist)。可以手动调整正则化参数λ以产生针对一个静止帧的无噪声图像，并且然后该值在没有修改的情况下用于所有其他的重构(每一场景未单独调整)。
在针对不同的成像场景的较高的信噪比(snr)和较高的模式分集的优点之间存在折中。较高的模式分集允许对场景进行欠采样，并且从而允许利用非线性压缩传感重建技术。模式分集还最终在空间上分配了可用的输出功率，减少了来自规范稀疏场景的snr。在本申请中，通过将利用模式分集的超材料成像器与光栅扫描成像器进行比较来描述了该折中。
针对固定的场景照明功率和孔径大小，通过跨场景光栅扫描衍射受限的波束可以提供良好的snr，其产生了单位测量矩阵，h＝i。但是，光栅扫描波束成像器不包含模式分集，这意味着当从场景的空间带宽积减少测得的数量时，所扫描的波束开始完全地丢失了场景点。在这些情况下，未获得关于场景的一部分的任何信息，即使是非线性压缩传感重构技术也不能正确地重构该场景。从而，随着欠采样，针对扫描波束成像器的平均重构错误迅速增加。
在另一方面，在主要文本呈现的超材料成像孔径逼近的具有随机振幅和相位的孔径可以具有跨整个场景分布的减少的增益。与扫描的波束成像器相比较，该减少的增益可能产生减少的snr，但是其确保了检测该场景的所有部分，即使是当该场景极度地欠采样时。在非线性估计器的帮助下，这允许以较高的准确性重构具有随机模式的欠采样的规范稀疏场景，只要系统噪声充分低。
为了展示该折中，可以使用理想的扫描波束成像器和在主要文本中呈现的超材料成像器来仿真在不同噪声和欠采样条件下对一维(仅跨距离)的一和两点场景。在蒙特卡洛调查中，使用扫描波束成像器或超材料成像器利用m个测量来对一系列随机生成的由一个或两个衍射受限的点进行了成像，并且将具有额度功率n的白高斯噪声添加到测量中。然后，使用具有各种正则化参数的twist重构这些场景，并且对针对每一正则化参数产生的与真实场景相隔的欧几里德距离进行平均。最低的平均误差被选择作为针对大量测量和噪声级别的最佳平均重构误差。在图19中比较了最佳平均误差。
可以在任何适当的组合中将来自一实施方式或方面的特征与来自任何其它的实施方式或方面的特征进行组合。例如，方法方面或实施方式的个别的或集体的特征可以被应用于实施方式的装置、系统、产品、或组件方面，反之亦然。
虽然已经结合了各个附图的各个实施方式来描述实施方式，但是应该理解的是，可以使用其他类似的实施方式或者可以对所描述的实施方式进行修改和添加来执行相同的功能而不与其偏离。从而，所公开的实施方式不应受限于任何单个实施方式，而是应该在根据所附权利要求的广度和保护范围中进行解释。
参考文献
1.e.j.candès,e.j.candes,关于数学的国际会议论文集，1433–1452(2006)http://dialnet.unirioja.es/servlet/dcart？info＝link&；codigo＝3140640&；orden＝237292。
2.d.l.d.donoho，信息原理，在52,1289–1306(2006)上的ieee会刊http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp？arnumber＝1614066。
3.c.f.cull,d.awikner,j.n.mait,m.mattheiss,d.j.brady，应用光学.49,e67-82(2010年7月)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20648123。
4.e.abbe,皇家显微镜学会杂志2,790–812(1883)。
5.a.w.lohmann,研究报告rj-438(ibm圣约瑟研究实验室，圣约瑟，加利福尼)，1-23(1967)。
6.d.j.brady,光学成像和光谱学(约翰·威利父子公司，霍博肯，新泽西州，美国，2008年3月)http://doi.wiley.com/10.1002/9780470443736。
7.e.j.candès,法国科学院数据.346,589–592(may2008)http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/s1631073x08000964。
8.d.brady,k.choi,d.l.marks,r.horisaki,s.lim,光学快报.17(2009)。
9.l.potter,e.ertin,j.parker,m.cetin,ieee会刊.98(2010)。
10.j.b.pendry,d.schurig,d.r.smith,科学.312,1780–1782(2006)http://www.sciencemag.org/content/312/5781/1780.short。
11.t.driscolletal.,应用物理快报.081101(2006)http://link.aip.org/link/？applab/88/081101/1。
12.n.b.kundtz,d.r.smith,自然材料.9,129–132(2010二月)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20023631。
13.y.urzhumov,d.r.smith,物理评论b.83,31–33(2011年5月)http://prb.aps.org/abstract/prb/v83/i20/e205114。
14.e.e.narimanov,自然材料.7(2008)。
15.z.jacob,l.v.alekseyev,e.narimanov,光学快报.14,8247–56(2006年9月)。
16.m.b.wakinetal.,计算成像iv,606509(2006)。
17.w.l.chanetal.,应用物理学快报93,121105(2008)
http://link.aip.org/link/applab/v93/i12/p121105/s1&agg＝doi。
18.w.l.chanetal.,应用物理学快报94,213511(2009)http://link.aip.org/link/applab/v94/i21/p213511/s1&agg＝doi。
19.a.mahalanobis,m.neifeld,v.k.bhagavatula,t.haberfelde,d.brady,应用光学.48,5212–24(october2009)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/19798359。
20.r.liu,x.yang,j.gollub,j.j.mock,t.cui,应用物理学快报,5–7(2009)http://scholar.google.com/scholar？hl＝en&btng＝search&q＝intitle:gradient+index+circuit+by+waveguided+metamaterials#0。
21.j.d.baenaetal.,微波原理和技术,关于53,1451–1461(2005)的ieee会刊http://ieeexplore.ieee.org/xpls/abs_all.jsp？arnumber＝1420785。
22.j.m.bioucas-dias,m.at.figueiredo,关于图像处理的ieee会刊：ieee信号处理学会的出版物16,2992–3004(2007年12月)。
23.w.j.padilla,a.j.taylor,c.highstrete,m.lee,r.d.averitt,phys.rev.lett.96107401(2006)。
24.t.driscoll,h.kim,b.chae,b.kim,y.lee,科学315,1518(2009)http://www.sciencemag.org/content/325/5947/1518.short。
25.h.t.chenetal.,自然444,597–600(2006)http://www.nature.com/nature/journal/v444/n7119/abs/nature05343.html。
26.d.shrekenhameretal.,科学600,597–600(2008).
27.z.xu,e.y.lam,美国光学学会杂志.a,光学,图像科学,以及视觉27,1638–46(2010年7月)http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/20596150。
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