Ученые Самарского университета им. Королева - вуза-участника национального проекта "Наука и университеты" - разработали и испытали миниатюрные линзы нового типа, которые позволят упростить и удешевить оптические системы беспилотных летательных аппаратов и наноспутников, используемых при решении задач экологического мониторинга и умного земледелия. Благодаря этим линзам можно будет также ускорить обработку данных, получаемых "с неба" или из космоса, и при этом обойтись без сложной компьютерной обработки информации. Сенсоры на основе подобных линз могут найти применение и в медицине. На настоящий момент изготовлены три опытных образца линз, они успешно прошли лабораторные испытания..

"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....