Способ обнаружения объекта на выпуклой металлической поверхности за линией её горизонта

Изобретение относится к области методов зондирования удаленных объектов электромагнитным излучением дальнего инфракрасного (ИК) или терагерцового (ТГц) диапазонов и может найти применение в оптико-механической промышленности для локализации объектов на выпуклой металлической поверхности с ограниченным доступом к ней, в авиации для обнаружения обледенения проводящих поверхностей летательных аппаратов и его ликвидации, в железнодорожном транспорте для раннего обнаружения дефектов рельс и инородных предметов на них, в инженерии и научных исследованиях для зондирования объектов, находящихся в зоне воздействия агрессивной газовой среды или ионизирующего излучения.

Целью изобретения является разработка способа загоризонтной локации, в котором носителем информации являются поверхностные плазмон-поляритоны (ППП) - разновидность поверхностных электромагнитных волн, дальнего ИК или ТГц диапазонов [1].

В 1901 г. Гульельмо Маркони осуществил передачу радиосигнала через Атлантический океан. Для объяснения этого феномена было выдвинуто две гипотезы: «сферического волновода», образованного проводящей поверхностью океана и ионосферой, и «поверхностной электромагнитной волны» (ПЭВ), названной впоследствии волной Ценнека. Идея существования ПЭВ на поверхности проводящей среды возникла у А. Зоммерфельда в 1896 г. [2]; позднее она была развита Дж. Ценнеком (учеником Зоммерфельда), который решил задачу о распространении ПЭВ над неидеально проводящей плоскостью [3]. Характерной особенностью ПЭВ Ценнека является то, что для проводящей подстилающей поверхности (морская вода, грунт) с положительной вещественной частью диэлектрической проницаемости ее фазовая скорость больше скорости света в вакууме («быстрая» ПЭВ). Для ПЭВ же Зоммерфельда фазовая скорость, как и для мод оптических диэлектрических волноводов, меньше скорости света («медленная» ПЭВ). Поверхностные плазмон-поляритоны, получившие название мод Фано, относятся к классу «медленных» ПЭВ и могут существовать над поверхностью металла, у которого вещественная часть диэлектрической проницаемости отрицательна [4].

Попытки создать загоризонтный радиолокатор предпринимались неоднократно; продолжаются они и в настоящее время. Так, например, в Европе получил финансирование проект, базирующийся на представлении о том, что волну Ценнека можно возбудить над морской поверхностью береговыми антеннами [5, 6]. Более того, в нашей стране уже построена система радионаблюдения декаметрового диапазона с радиусом действия 300 км, которая, по мнению разработчиков, является береговым загоризонтным радаром поверхностной волны (БЗГР «Подсолнух-Э») [7].

Однако, такие авторитетные российские ученые как А.В. Кукушкин (Нижегородский гос. техн. университет) и А.А. Рухадзе (Институт общей физики РАН) в своих публикациях [8, 9] убедительно показали, что у волны Ценнека не только фазовая, но и групповая скорость превышает световую; следовательно, «быстрая» ПЭВ является фантомом, подобным флогистону или электрической жидкости. Но «медленные» ПЭВ (с фазовой и групповой скоростью меньше световой) могут существовать над проводящей поверхностью, вещественная часть диэлектрической проницаемости которой отрицательна (точнее, меньше минус 0.75). Это условие выполняется для большинства металлов и некоторых полупроводников в видимом, ИК и ТГц диапазонах, но не выполняется для морской воды, диэлектрическая проницаемость которой в радиодиапазоне положительна.

Таким образом, загоризонтный ПЭВ радиолокатор нереализуем ни на море, ни, тем более, на суше; его воплощение запрещено физическими законами. Но сама идея загоризонтного локатора заманчива и имеет реальное основание, если носителем информации выбрать не радиоволну, а поверхностные плазмон-поляритоны, представляющие собой комплекс p-поляризованной эванесцентной (экспоненциально затухающей от поверхности металла) волны и механической волны плотности электронов проводимости в приповерхностном слое металла [10].

Известно, что расчетная длина распространения ППП L (расстояние, на котором интенсивность волны уменьшается в е≈2.718 раз) обратно пропорциональна квадрату частоты генерирующего их излучения, и в дальнем ИК и ТГц диапазонах она может достигать нескольких метров [1]. Однако измеренные значения L длинноволновых ППП оказались на порядок меньше расчетных [11]. Причиной этого различия является резкое возрастание радиационных потерь ППП с ростом длины волны X излучения [12]. Тем не менее, длина распространения ТГц ППП составляет дециметры, что позволяет воздействовать посредством ППП на удаленные, в пределах направляющей их поверхности, предметы. Более того, ППП могут распространяться не только по плоской, но и по искривленной поверхности; в частности, по выпуклой поверхности [13]. Кривизна поверхности обуславливает дополнительные радиационные потери, ППП, но при большом ее радиусе R>>λ, возрастание потерь невелико [14].

Кроме того, экспериментально подтверждены такие свойства ТГц ППП как способность отражаться плоскими зеркалами [15] и возможность деления плазмонного пучка плоской светоделительной пластинкой [16], при условии, что эти элементы примыкают к направляющей ППП поверхности, а глубина проникновения поля ППП в окружающую среду не меньше двух длин волн излучения.

Совокупность упомянутых качеств длинноволновых ППП позволяет реализовать идею загоризонтного локатора применительно к металлической поверхности. В основу изобретения поставлена задача разработки способа обнаружения объектов на выпуклой металлической поверхности за линией ее горизонта, позволяющего не только обнаруживать наличие предметов (неоднородностей) на поверхности, но и частично локализовать их местоположение, а также - воздействовать на них посредством передачи им энергии или импульса.

Поставленная цель достигается тем, что заявляемый способ обнаружения объектов на выпуклой металлической поверхности за линией ее горизонта включает генерацию на поверхности коллимированного пучка плазмон-поляритонов (ППП) с длиной распространения сравнимой с расстоянием от источника ППП до объекта, направление пучка по нормали к линии горизонта, сканирование ее пучком, регистрацию отраженного объектом излучения в форме ППП и определение наличия объекта за линией горизонта по результатам измерений.

Реальность достижения поставленной цели обоснована: 1) макроскопической длиной распространения (не менее 1000⋅λ) длинноволновых ППП по поверхности металла; 2) способностью таких ППП отражаться от объектов, находящихся на направляющей ППП поверхности; 3) возможностью разделения пучка таких ППП плоской светоделительной пластинкой, примыкающей боковой гранью к поверхности металла.

Изобретение поясняется Фиг. 1, на которой представлены две проекции макета устройства (а - вид сбоку; б - вид сверху), реализующего заявляемый способ; здесь цифрами обозначены: 1 - источник излучения; 2 - коллиматор; 3 - подвижная платформа, содержащая элементы 1 и 2; 4 - линия горизонта поверхности изделия 5, имеющего поверхность, способную направлять ППП и содержащую сопряженные линией 4 плоский и выпуклый участки; 6 - элемент преобразования излучения источника 1 в ППП; 7 - светоделительная пластинка, установленная ребром на плоском участке поверхности изделия 5 и перпендикулярная к ней; 8 - детектируемый объект; 9 - линейка фотоприемников; 10 - устройство накопления и обработки информации.

Способ реализуется следующим образом. Источник 1 и коллиматор 2 размещают на подвижной платформе 3, способной перемещаться вдоль линии горизонта 4 контролируемой поверхности изделия 5. Инфракрасное или терагерцовое монохроматическое излучение, испускаемое источником 1, формируется коллиматором 2 в пучок параллельных лучей. Этот пучок падает на элемент 6 и преобразуется им в коллимированный пучок поверхностных плазмон-поляритонов (ППП), распространяющихся по плоскому участку поверхности изделия 5. Пучок ППП проходит через светоделительную пластинку 7, ориентированную под углом в 45° к плоскости падения излучения, и достигает линии горизонта 4, отделяющей плоский участок поверхности от ее выпуклого участка, на котором размещен искомый объект 8. Перейдя на выпуклый участок, ППП взаимодействуют с объектом 8 и частично отражаются от него. Отраженный пучок ППП возвращается к линии 4 и, перейдя на плоский участок, отражается пластинкой 7 под прямым углом к плоскости падения излучения. Дойдя до ребра плоского участка, пучок ППП дифрагирует на нем и трансформируется в объемную волну с узкой диаграммой направленности (в плоскости, перпендикулярной поверхности изделия 5) [17]. Распределение интенсивности объемной волны в плоскости поверхности изделия 5 измеряется линейкой 9 и запоминается устройством 10. Перемещение платформы 3 приводит к смещению пучка ППП вдоль линии горизонта 4 и при пересечении плоскостью падения излучения объекта 8 отраженный им пучок (или его часть) порождает в соответствующих пикселях линейки 9 электрические сигналы, регистрируемые устройством 10 в совокупности с координатой плоскости падения.

В качестве примера применения заявляемого устройства рассмотрим возможность обнаружения с помощью ППП, генерируемых излучением с λ=130 мкм, металлического тела толщиной 1 мм, находящегося на покрытой непрозрачным слоем золота поверхности изделия 5, имеющей плоский участок и сопряженный с ним выпуклый участок цилиндрической формы, характеризуемый радиусом кривизны R=50 мм. Пусть изделие 5 находится в воздухе, а на золотое покрытие нанесен слой сульфида цинка толщиной 0.5 мкм. Длина распространения L таких ППП достигает 27 см [12], а глубина проникновения их поля в воздух - 0.5 мм, причем кривизна поверхности с R>>λ уменьшает величину L незначительно. Пусть линия горизонта отстоит от элемента преобразования 6, размещенного на плоском участке подложки, на расстоянии 6.0 см, а светоделительная пластинка - на расстоянии 3.0 см; причем последняя выполнена из каптоновой пленки толщиной 125 мкм (отражает данные ППП с эффективностью 0.27, пропускает - с эффективностью 0.4 [16]). Положим длину дуги от линии горизонта 4 до детектируемого тела 8 равной 2.6 см, что соответствует 30° центральному углу дуги с 50 мм радиусом. В этом случае основание тела 8 оказывается на 6.7 мм ниже (по Фиг. 1а) линии горизонта 4. Для обнаружения тела 8 зондирующий пучок ППП должен пройти по «маршруту» "элемент преобразования 6 - светоделительная пластинка 7 - линия горизонта 4 - означенная дуга цилиндрического участка поверхности изделия 5 - объект 8" и обратно до пластинки 7 (расстоянием, отделяющим пластинку 7 от ребра плоского участка поверхности изделия 5, пренебрегаем) немногим более 14 см. На таком расстоянии интенсивность пучка уменьшится примерно в два раза; кроме того, вследствие двойного взаимодействия пучка с пластинкой 7 его интенсивность будет ослаблена еще в 10 раз. Тем не менее, при условии 100% (или близкого к этому значению в случае иного материала объекта 8) отражения пучка от объекта 8, до линейки фотоприемников 9 пучок доставит примерно 5% свой исходной энергии, чего вполне достаточно для уверенной его регистрации при использовании лазерного источника 1. Фиксация координаты положения источника 1 в момент максимальной интенсивности отраженного от объекта 8 сигнала позволяет, в дополнение к установлению факта наличия тела 8 на выпуклой поверхности изделия 5, определить одну координату его местоположения на этой поверхности.

Таким образом, заявляемое устройство позволяет обнаруживать объекты на выпуклой металлической поверхности за линией ее горизонта путем зондирования их пучком поверхностных плазмон-поляритонов (ППП) с длиной распространения сравнимой с расстоянием от источника ППП до детектируемого объекта, а также - частично локализовать их местоположения.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки

1. Gomez R.J., Zhang Y., and Berrier A. Fundamental aspects of surface plasmon polaritons at terahertz frequencies // in "Handbook of terahertz technology for imaging, sensing and communications", Ed. Saeedkia D. (Woodhead Publishing Series), 2013. - p. 62-90.

2. Sommerfeld A. Mathematische theorier der Diffraction // Math. Ann., 1896, v. 47, p. 317-374.

3. Zenneck J. Uber die Fortpanzung ebener elektromagnetischer Wellen langs einer ebenen Leiterache und ihre Beziehung zur drahtlosen Telegraphie // Annalen der Physik, 1907, v. 328, No. 10, p. 846-866.

4. Fano U. The theory of anomalous diffraction gratings and of quasi-stationary waves on metallic surfaces (Sommerfeld's waves) // J. Opt. Soc. Am., 1941, v. 31, No. 3, p. 213-222.

5. Fabrizio G.A., Gershman A.B., and Turley M.D. Robust adaptive beamforming for HF surface wave over-the-horizon radar // IEEE Transact. Aerospace and Electronic Systems, 2004, v. 40, No. 2, p. 510-525.

6. Petrillo L., Jangal F., Darces M., Montmagnon J.-L., and Helier M. Towards a better excitation of the surface wave // Progress in Electromagnetics Research (M), 2010, v. 13, p. 17-28.

7. http://www.rusarmy.com/pvo/pvo_vvs/rls_bzgr_podsolnuh-e.html

8. Кукушкин A.B. О существовании и физическом смысле волны Ценнека // УФН, 2009, т. 179, №7, с. 181-183.

9. Кукушкин А.В., Рухадзе А.А., Рухадзе К.З. Об условиях существования быстрой поверхностной волны // УФН, 2012, т. 182, №11, с. 1205-1215.

10. Поверхностные поляритоны. Электромагнитные волны на поверхностях и границах раздела сред / Под ред. В.М. Аграновича и Д.Л. Миллса - М.: Наука, 1985. - 525 с.

11. Koteles E.S., and McNeill W.H. Far infrared surface plasmon propagation // Intern. J. Infrared Millim. Waves, 1981, v. 2, p. 361-371.

12. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Lemzyakov A.G., Nikitin A.K., Zhizhin G.N. Growth of terahertz surface plasmon propagation length due to thin-layer dielectric coating // JOSA(B), 2016, v. 33, Is. 11, p. 2196-2203.

13. Hasegawa K., Nockel J.U., and Deutsch M. Surface plasmon polariton propagation around bends at a metal-dielectric interface // Appl. Phys. Lett., 2004, v. 84, No. 11, p.1835-1837.

14. Knyazev B.A., Gerasimov V.V., Nikitin A.K., Azarov I.A., Choporova Yu. Yu. Propagation of terahertz surface plasmon polaritons around a convex metal-dielectric interface // JOSA(B), 2019, v. 36, No. 6, p. 1684-1689.

15. Герасимов В.В., Князев Б.А., Никитин А.К. Отражение монохроматических поверхностных плазмон-поляритонов ТГц диапазона плоским зеркалом // Квантовая электроника, 2017, т. 47, №1, с. 65-70.

16. Gerasimov V.V., Nikitin А.K., Lemzyakov A.G. et al. Splitting of terahertz surface plasmons by polyimide films // J. Physics: Conf. Series, 2018, v. 1092, 012040. Doi: 10.1088/1742-6596/1092/1/012040

17. Gerasimov V.V., Knyazev B.A., Kotelnikov I.A., Nikitin A.K. et al. Surface plasmon polaritons launched using a terahertz free electron laser: propagating along a gold-ZnS-air interface and decoupling to free waves at the surface tail end // JOSA (B), 2013, v. 30, Is. 8, p. 2182-2190.