В Самарском университете разработан компактный и легкий гиперспектрометр для беспилотников и космоса

Цветной космический снимок способен о многом рассказать опытному глазу. Но если провести спектральный анализ объекта, то о нем можно узнать еще больше. И есть приборы, которые способны сочетать наглядность фотоснимка и информативность спектрограммы. Это изображающие спектрометры. Над созданием таких приборов, причем очень компактных, легких и надежных, работают в Самарском национальном исследовательском университете имени С.П. Королева.
 

Глаз можно обмануть

Дистанционное зондирование Земли – сегодня, как говорится, модное направление. Подробные карты в Яндексе и Гугле, космические фото, на которых можно разглядеть собственный дом, подыскать место для выезда на природу в выходные и увидеть много чего еще – все это укладывается в три буквы - ДЗЗ. И, пожалуй, никто уже не удивляется тому, что вокруг нашей планеты летают одновременно десятки «космических фотоаппаратов» – и тяжелых, в несколько тонн, и совсем маленьких.

 

Космические снимки земной поверхности – это не просто красиво, это очень нужное дело. Лесные пожары и паводки, загрязнения окружающей среды и незаконные карьеры, состояние лесов и посевов – космическую информацию об этом сегодня регулярно получают десятки ведомств.

 

Гиперспектрометр, который разработали в Самарском университете им. Королева, в несколько раз легче тех, что работают на российских космических аппаратах. Его вполне можно установить на небольшой беспилотник — это и дешево, и эффективно. А можно создать на его основе зоркий и компактный прибор, способный выдержать суровое испытание космосом. В то же время разработка самарских ученых прокладывает путь к появлению миниатюрных гиперспектрометров — а это уже «товар для всех и для каждого».

 

«Простейший изображающий спектрометр? Он есть у каждого: это обычная фотокамера - и дешевая «мыльница», и дорогая «зеркалка», и камера, встроенная в смартфон, – рассказывает заведующий НИЛ-35 Самарского университета Роман Скиданов. – В чем разница между ними и нашими спектрометрами? Обычный фотоаппарат работает с тремя основными цветами – красным, зеленым и синим. Этого вполне достаточно для человеческого глаза. А наши приборы создают несопоставимо более сложную, многослойную «картинку».

 

То, что, смешивая в различных пропорциях красный, зеленый и синий, можно получить любой цвет, все мы усвоили еще в школе. На этом принципе работают современные цифровые фотоаппараты и видеокамеры, экраны телевизоров и смартфонов. И ученым хорошо известно, что человеческий глаз и мозг довольно просто обмануть. Дело в том, что сочетания световых волн разной длины могут очень сильно отличаться друг от друга, но при этом даже для самого дотошного зрителя выглядеть как один и тот же цвет. То есть глаз ошибается, а вот обмануть спектрометр — никак не получится.

 

Гиперспектрометр — в каждом смартфоне

Гиперспектрометрия уже сегодня открывает удивительные возможности. Например, можно на расстоянии, по гиперспектральному снимку из космоса или с беспилотника, определить химический состав почв на полях и решить, где и какие удобрения нужны. Этими разработками вовсю занимаются на Западе. Конечно, химический анализ точнее, но он не конкурент гиперспектральной съемке по производительности, дешевизне и быстроте. А в сельском хозяйстве день год кормит.

 

Экологические нарушения, загрязнения окружающей среды — сегодня дело обычное. Снимки гиперспектрометра покажут, какие вредные вещества попали в воздух, воду и почву, а еще очертят границы загрязненного участка.

 

Очень интересное применение гиперспектрометрия находит в оборонной индустрии. Например, военным важно знать: ложная перед ними цель или настоящая? Гиперспектральная съемка или онлайн-наблюдение позволяют четко отличить дешевый макет танка, тягача или артустановки от реальной боевой машины. На таком снимке настоящий двигатель «светит» совершенно иначе, чем тепловой имитатор в ложной цели.

 

«Возможно, очень скоро гиперспектрометр установят в каждый смартфон — если развить наши разработки, это вполне реально», — прогнозирует президент Самарского университета академик РАН Виктор Сойфер.

 

Действительно, технологии расчета и изготовления дифракционных оптических элементов (ДОЭ), которые развивают в Самарском университете, прокладывают дорогу такому проекту. А его коммерческий успех может быть ошеломляющим. Ведь сегодня смартфон — практически у каждого, их сотни миллионов!

 

А разве кто-то откажется от возможности за несколько секунд определить, например, качество продуктов на рынке? Если спектрометр уже встроен в смартфон, достаточно скачать из Интернета нужное приложение — и готово: наводишь объектив на ящик с фруктами или овощами — и сразу знаешь, стоит покупать или нет.

 

От «мульти» до «гипер»

«Изображающие спектрометры разделяют поступающий пучок света не на три цветовые составляющие, как фотокамера, а на множество — на 10, на 30, на 100. В зависимости от их количества мы по-разному называем эти приборы, — поясняет Роман Скиданов. — Если спектральных каналов от 10 до 30 — это мультиспектрометр, а если, скажем, 100 и более — гиперспектрометр».

 

Сто слоев изображения, каждый из которых сделан в узком спектральном диапазоне, всего 5 нанометров — это кладезь информации, не различимой на глаз. Прекрасный объект для компьютерного анализа. Цифровые данные каждого кадра сводят в массив, который ученые называют «гиперкуб». А затем — компьютерная обработка. Технологии обработки и анализа таких «больших данных» много лет разрабатывают и совершенствуют научные коллективы, выросшие в рамках научной школы академика Сойфера.

«Развитие гиперспектрометрии неразрывно связано с космосом, с дистанционным зондированием Земли с космических аппаратов, — говорит Виктор Сойфер. — Там широко используется аппаратура для мультиспектральной и гиперспектральной съемки. Но надо понимать, что, например, на аппаратах «Ресурс-П» самарского РКЦ «Прогресс» такой прибор имеет массу порядка 150 кг и потребляет около 150 Вт мощности. Это много, а для того, чтобы сделать гиперспектрометр компактным, нужны кардинально иные подходы, принципиально новые технические решения».

 

Сегодня гиперспектрометрией в мире занимаются множество научных коллективов. Конкуренция огромная. Оригинальные наработки научной школы академика Сойфера в области дифракционных оптических элементов позволили сотрудникам НИЛ-35 Самарского университета под руководством доктора физико-математических наук Романа Скиданова создать компактный гиперспектрометр, масса которого — не более 6 кг. Мировой уровень.

 

Оптическая схема прибора — как у всех, классическая «схема Оффнера». Но при этом самарский гиперспектрометр в разы дешевле зарубежных аналогов. Он прост и надежен — в нем нет движущихся частей. Есть реальные перспективы обойти конкурентов. Главное — не снижать темпы исследований.

 

В Южной Корее создали компактный гиперспектрометр массой всего 5 кг. Но повторять и развивать технические решения, заложенные в лучшие зарубежные образцы, в Самарском университете не стали — и сложно, и дорого в производстве. «У нас есть свои оригинальные технологии. Мы сделали прибор на основе разработанных нами ДОЭ. Он проще и лучше корейского», — говорит Роман Скиданов.

 

В конце 2016 года в НИЛ-35 стоял лабораторный образец, который подтвердил правильность принятых технических решений. Сегодня на его основе изготовлен экспериментальный образец, который прошел полевые испытания на земле, и теперь его можно испытывать в небе. Например, на беспилотном летательном аппарате «Фотон-601». Этот беспилотник тоже разработан в Самарском университете, он испытан и способен поднять новый гиперспектрометр. А дальше — следующий шаг. Космос.

 

Снимки гиперспектрометра покажут, какие вредные вещества попали в воздух, воду и почву, а еще очертят границы загрязненного участка

 

Роман Скиданов, заведующий НИЛ-35 Самарского университета:

 

- Повторить 5-килограммовый гиперспектрометр, который разработали в Южной Корее, мы в Самарском университете не можем. Его основа — призма с асферической поверхностью, которая очень сложна и дорога в изготовлении. Но у нас есть свои оригинальные технологии. Мы сделали прибор на основе разработанных нами дифракционных оптических элементов. Он проще и лучше корейского.

 

Виктор Сойфер, академик РАН, президент Самарского университета им. С.П. Королева:

 

- Возможно, очень скоро гиперспектрометр установят в каждый смартфон — если развить наши разработки, это вполне реально. И тогда у каждого из нас появится возможность, например, определять качество продуктов на рынке. Для этого напишут специальные программные приложения. Навел камеру на ящик с виноградом или клубникой — щелк! — и уже знаешь, стоит их покупать или нет. Думаю, это будет феноменально успешный коммерческий проект, потому что космических аппаратов — единицы, беспилотников — тысячи, а смартфонов — сотни миллионов штук.

Источник: vkonline.ru