Российских школьников научат собирать из конструктора "глаза" наноспутников

Ученые Самарского национального исследовательского университета имени академика С.П. Королева разрабатывают для российских школьников специальный образовательный конструктор для изучения и самостоятельной сборки сверхлегкой оптической системы космических спутников. Подобные системы, отличающиеся очень компактными размерами и сверхмалым весом, как ожидается, в ближайшем будущем будут устанавливаться на наноспутниках дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ).

Разработка образовательного конструктора ведется в рамках полученного учеными гранта Фонда содействия инновациям при поддержке правительства и министерства экономического развития и инвестиций Самарской области. В основе оптической системы — созданная в Самарском университете плоская дифракционная линза, заменяющая систему линз и зеркал современных телеобъективов. При производстве такой линзы на поверхность кварцевого стекла наносится резист — фоточувствительное вещество толщиной 10 микрометров (для сравнения, толщина человеческого волоса 40-90 микрометров). На резисте с помощью лазерного луча создается 256-уровневый рельеф. С его помощью происходит "приближение" объекта, а компенсацию искажений обеспечивает компьютерная обработка получаемых изображений. Оптическая система на основе такой линзы отличается очень малым весом — порядка всего нескольких граммов — и миниатюрными размерами, сравнимыми с габаритами камеры в обычном телефоне.

"Это будет конструктор, состоящий из готовых элементов системы. В него войдут созданные на основе дифракционных линз объективы, различные сенсоры, камеры, к которым можно будет эти объективы присоединять, — рассказал доцент кафедры суперкомпьютеров и общей информатики Самарского университета Сергей Бибиков. — Также будут учебные материалы, специальное программное обеспечение и возможность обрабатывать получаемые изображения на наших серверах, чтобы не зависеть от слабых компьютеров в какой-нибудь школе. Весь этот комплекс позволит ребятам собрать фактически ту систему, которая может устанавливаться на наноспутники".

По словам Бибикова, этот учебный набор может применяться в кружковой работе школьников, а также на занятиях в вузах. "В процессе сборки этой системы можно проводить со школьниками различные учебные занятия, объяснять им, как создана эта оптика, в чем особенности ее применения, как на компьютере обрабатывается изображение. С этим конструктором можно объединить огромное количество образовательного контента, чтобы потом на базе конструктора проводить разные работы, эксперименты. Он может пригодиться и в вузах в качестве базы для различных учебных курсов", — отметил Бибиков.

Прототип конструктора планируется подготовить к марту 2020 года. Первыми его должны протестировать школьники — участники программы "Дежурный по планете" (эта программа объединяет технологические конкурсы и проекты для школьников и студентов в области космоса и реализуется при поддержке Госкорпорации "Роскосмос" в рамках дорожной карты "Кружковое движение" Национальной технологической инициативы). По итогам тестирования конструктор, в случае необходимости, будет доработан и усовершенствован, после чего можно будет начать подготовку предсерийных образцов. Как подчеркивают разработчики, несмотря на учебный характер конструктора, из его составляющих можно будет собрать самую настоящую оптическую систему космического спутника. 

"Мы разрабатываем этот конструктор именно с тем прицелом, чтобы из него реально можно было собрать настоящую систему, которую можно установить на спутнике и запустить на орбиту", — сказал Бибиков.

Оптическая система на основе дифракционной линзы в рамках испытаний будет готова к размещению на наноспутнике и запуску в космос в конце 2020 — начале 2021 года. Ожидается, что первые образцы таких оптических систем будут обладать разрешением несколько десятков метров с высоты орбиты 400 км, что, безусловно, ниже разрешения специализированной оптики, устанавливаемой на больших аппаратах ДЗЗ. Однако на основе низкобюджетных наноспутников с компактной оптикой можно будет создавать масштабные орбитальные группировки из сотен подобных космических аппаратов, что позволит вести мониторинг Земли в режиме практически реального времени, оперативно получая изображение необходимого участка земной поверхности и не дожидаясь, когда тот или иной большой аппарат ДЗЗ окажется над нужным местом. Получаемая информация будет очень важна для оперативного отслеживания, например, ситуации с распространением природных пожаров, паводков, для наблюдения за сельскохозяйственными посевами и в других целях.

Для справки:

Самарский университет — один из мировых лидеров в области исследований дифракционных оптических элементов и обработки изображений. Разработанная в университете дифракционная линза — один из результатов 40-летней работы школы информационной оптики и фотоники под руководством академика РАН, президента Самарского университета Виктора Сойфера. Первая статья ученых Самарского университета, подтверждавшая возможность использования дифракционной оптики в изображающих системах, появилась в мае 2015 года по итогам крупнейшей мировой конференции по обработке изображений — IEEE Computer Vision and Pattern Recognition. 

В ноябре 2015 года вышла в свет совместная работа университета Торонто и университета имени короля Абдаллы в Саудовской Аравии, посвященная подобной разработке, со ссылкой на работу Самарского университета. Ранее никто в мире не использовал дифракционную оптику для получения цветных изображений высокого разрешения.

Фото: Анастасия Короткова