Самарский национальный исследовательский университет им С.П. Королева
6 июля 2023, 09:20
Разработка самарских ученых сделает "глаза" спутников и беспилотников более простыми и дешевыми
Ученые Самарского университета им. Королева разработали и испытали миниатюрные линзы нового типа, которые позволят упростить и удешевить оптические системы беспилотных летательных аппаратов
"Разработанные в нашей лаборатории спектральные дифракционные линзы позволят оснащать беспилотники и наноспутники узкоспециализированной оптикой, которая будет рассчитана на выполнение одного, заранее определенного класса задач, например, мониторинг какого-то конкретного вегетационного индекса или показателя, используемого в умном земледелии. Такая оптика будет более компактной, более простой и дешевой в изготовлении, в ней будет минимальное количество элементов, что соответственно удешевит и упростит производство беспилотников и наноспутников", - рассказал заведующий научно-исследовательской лабораторией "Фотоника для умного дома и умного города", доцент кафедры технической кибернетики Никита Головастиков.
Как правило, в настоящее время для дистанционного наблюдения за состоянием сельскохозяйственных посевов или экологического мониторинга повсеместно используется гиперспектральная аппаратура. Гиперспектральное дистанционное зондирование Земли позволяет извлекать из картинки снимаемого объекта сотни и даже тысячи спектральных каналов, каждый из которых несет свою определенную информацию. Благодаря этому можно буквально "увидеть невидимое" - определять с орбиты или с воздуха влажность почвы и наличие удобрений, следить за состоянием здоровья растений, мониторить их возможные болезни и нападения насекомых-вредителей, выявлять у растений стресс и прогнозировать урожайность - и это только в сельском хозяйстве. С помощью гиперспектрального "зрения" можно также выявлять выбросы парниковых газов и загрязнение почвы и водоемов, проводить геологоразведку труднодоступных территорий и обнаруживать расположение потенциальных месторождений различных минералов, нефти и газа.
Однако преимущества гиперспектрального зондирования порой оказываются и недостатком - в результате такой съемки создается очень большой массив данных, его нужно правильно проанализировать, применяя для этого специальные компьютерные программы и алгоритмы. На практике же пользователю, тому же фермеру, далеко не всегда необходим такой большой объем данных, ему, предположим, нужно определить лишь несколько показателей состояния посевов - достаточно ли растениям полива и удобрений. Поэтому вместо того, чтобы оснащать беспилотник или спутник сложной гиперспектральной аппаратурой, можно использовать простую оптику со специальной спектральной линзой, которая "увидит" только один или несколько определенных показателей. То есть, с такой линзой беспилотник или спутник из "специалиста широкого профиля" превратится в "профильного специалиста". Это как вместо швейцарского ножа, в котором есть множество миниатюрных инструментов - от ножниц до шила, использовать для повседневной работы лишь какой-то один отдельный полноценный инструмент. Или пару инструментов. Дешево и практично.
"Главная идея спектральной дифракционной линзы - обойтись без гиперспектрометра, без построения сложного гиперспектрального изображения, вычленяя лишь самое главное - например, содержание влаги в наблюдаемом растительном покрове. Такая узкая задача решается гораздо дешевле и быстрее. Например, вычисление одного вегетационного индекса в умном земледелии с такой линзой включает в себя проведение всего лишь нескольких арифметических операций над спектральными данными из двух-трех диапазонов, что несоизмеримо проще и быстрее обработки гиперспектрального изображения", - подчеркнул Никита Головастиков.
По его словам, в лаборатории уже изготовлены три опытных образца линз, они прошли испытания, подтвердившие их работоспособность. Размер каждой линзы - 4 мм. На поверхности линз с помощью лазера был сформирован дифракционный микрорельеф для выделения нескольких заданных длин волн. Максимальная высота рельефа - порядка 4-6 микрометров. Для сравнения: толщина человеческого волоса составляет, в среднем, примерно 80 микрометров.
Одна из линз рассчитана на определение вегетационного индекса "инфракрасного склона" (MRESR), применяемого для анализа состояния лесов, растительности и выявления стресса растений, вторая линза изготовлена под "водный" индекс (WB), используемый для оценки содержания влаги в растительном покрове, третья линза может определять оба этих индекса.
"Вегетационных индексов очень много, мы выбрали одни из самых распространенных, но можно рассчитать и изготовить линзы и под любые другие спектральные индексы, например, для выявления в воздухе каких-то определенных вредных веществ, и использовать эти линзы в датчиках систем умного дома или умного города. Еще одним перспективным направлением являются биомедицинские исследования. Например, с помощью сканера на основе такой линзы можно в ходе операции или процедуры определять точное расположение кровеносных сосудов в человеческом теле - это является актуальной задачей, например, при лечении детей", - отметил Никита Головастиков.
Самарский университет им. Королева - один из мировых лидеров в области фотоники. Более 40 лет назад в вузе была создана и успешно работает научная школа компьютерной оптики и обработки изображений под руководством академика РАН, президента Самарского университета Виктора Сойфера. Учеными университета разработана инновационная дифракционная оптика, которая нашла свое применение в самых различных сферах - космосе, медицине, сельском хозяйстве.
Исследования в области дифракционных оптических элементов позволили ученым Самарского университета им. Королева создать компактные гиперспектральные устройства для применения в системах интеллектуального земледелия. Мобильные агромелиоративные комплексы способны самостоятельно анализировать состояние почвы и регулировать интенсивность полива и внесения удобрений, что может повысить урожайность сельскохозяйственных культур в среднем на 25-30%.
Вегетационный индекс - показатель, имеющий отношение к параметрам и характеристикам растительности и рассчитываемый на основе операций с разными спектральными каналами данных дистанционного зондирования....
Авторские права на данный материал принадлежат «Самарский национальный исследовательский университет им С.П. Королева». Цель включения данного материала в дайджест - сбор максимального количества публикаций в СМИ и сообщений компаний по авиационной тематике. Агентство «АвиаПорт» не гарантирует достоверность, точность, полноту и качество данного материала.
Поделиться
Май 3, 2024
Аэрофлот открыл онлайн-продажи субсидируемых билетов для жителей Калининградской области
Май 3, 2024
Делегация МГТУ ГА приняла участие в памятных мероприятиях, посвященных Дню Победы
Май 3, 2024
Республика Татарстан получила земельные участки для реконструкции перрона Международного аэропорта "Казань"
Май 3, 2024
Студенты РГАТУ имени П.А. Соловьева стали призерами Всероссийской научно-технической конференции