Использование псевдогиперболоидной геометрии в качестве высокочувствительного сенсора (датчика) для детектирования и пеленгации электромагнитного излучения в широком диапазоне частот — от СВЧ до видимого света — представляет собой многообещающее прикладное направление, основанное на уникальных геометрических характеристиках этой поверхности.

Физические предпосылки к использованию псевдогиперболоида как детектора

Псевдогиперболоидная поверхность обладает следующими свойствами:

- Обладает направляющей и фокусирующей способностью без линз и диэлектриков — чисто за счёт геометрии (металлический или плазмонный рефлектор).

- Фокусирует входящие волны от широкого диапазона углов к осевой цилиндрической зоне (геометрическая «ловушка»).

- Не требует переменных фокусных расстояний — волна втягивается в центральную зону благодаря отражающим вогнутым стенкам.

Следовательно, такая поверхность может использоваться как волновод-ловушка или геометрический концентратор ЭМ-энергии. Что идеально подходит для создания чувствительных детекторов ЭМ-излучения, — пеленгаторов (определителей направления прихода сигнала), — приёмных систем с узкой направленностью.

Принцип работы псевдогиперболоидного сенсора

Входящий ЭМ-сигнал (волна) попадает на широкую апертуру псевдогиперболоида. Волна отражается от вогнутых стенок и по законам геометрической оптики направляется к центральной цилиндрической зоне (осевому каналу). Все лучи, падающие под разными углами в пределах допустимой апертуры, рефлекторно концентрируются в определённом месте цилиндрической фокусной зоне. Вдоль цилиндрической фокусной оси располагаются чувствительные детекционный элемент (сенсор). Энергия, достигшая этой зоны, возбуждает фотонный, электроиндуктивный или плазмонный отклик, формируя измеримый сигнал.

По распределению амплитуд сигналов с диаметрально размещённых датчиках вычисляется точное угловое положение источника.

З-D вид датчика показан на следующем рисунке       

Рис. № 1. Псевдогиперболоидный датчик направления ЭМ излучения

Ключевые преимущества

— Благодаря многократному пере отражению внутри резонатора даже слабые сигналы усиливаются, что повышает чувствительность.

— Угловое разрешение определяется размерами псевдогиперболоида и может быть субмиллирадианным (зависит от размера резонатора и длины волны).

— Классические пеленгаторы (антенные решётки, интерферометры) полагаются на фазовые измерения и сложные алгоритмы, псевдогиперболоидный метод использует геометрию резонатора для естественной пространственной фильтрации и усиления сигнала.

— Меньше вычислительных затрат, выше помехоустойчивость.

— Детектирование сверхслабых источников (например, стелс-технику).

— Различать близко расположенные объекты (например, группу дронов).

— В оптическом диапазоне можно достичь углового разрешения лучше 0.1 мрад (зависит от размера резонатора).

— Широкополосность (от СВЧ до оптики). Обычные пеленгаторы работают в узком диапазоне (например, только СВЧ или только ИК).

— Псевдогиперболоид не требует перестройки – работает на любой частоте, если соблюдается условие зазора ~λ.

— Можно одновременно пеленговать радиолокационные, лазерные и тепловые цели.

— Компактность. Антенные решётки для высокой точности требуют больших апертур (например, метры для СВЧ).

Перспективные применения

— Космические и астрономические приёмники (сверхчувствительные телескопы и пеленгаторы в суб-THz диапазоне).

— Локаторы и приёмо-передающие антенны новых типов (без фазированных решёток).

— Инфракрасные приёмники для температурной разведки, тепловизоров, лазерной пеленгации.

— Сенсоры квантового излучения на долговолновых длинах волн (исследования космологии, CMB).

— Оптические сенсоры квазичастиц в плазме (наноразмерные эксперименты).

Вывод

Псевдогиперболоид — это чисто геометрическое решение, которое позволяет создать пассивный концентратор энергии, пригодный для сверхчувствительных сенсоров, способных:

— детектировать слабое ЭМ-излучение,

— работать в широком диапазоне частот,

— определять направление прихода сигнала с высокой угловой разрешающей способностью.

Реализация таких сенсоров потенциально открывает новый класс направленных приёмников и пеленгаторов в микроволновом, инфракрасном и даже оптическом диапазонах.