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: Официальный сайт Самарского университета им. С.П. Королева