День: 15.03.2023

Самарский университет им. Королева разработал линейку инновационных приборов, которые находят применение как в космосе, так и на Земле. Они созданы с целью улучшения условий жизни и среды обитания человека за счет использования космических технологий.

Основой приборов служит уникальная оптическая линза — результат 30-летней работы школы информационной оптики и фотоники под руководством академика РАН, президента университета Виктора Сойфера. Она построена на принципах дифракции и весит всего пять граммов, при этом заменяя собой тяжеловесную систему линз и зеркал, аналогичную той, что используется в фотоаппаратах и телеобъективах с фокусным расстоянием 300 мм и весом от полукилограмма.

Обычным теле- и фотообъективам нужно 12 и более оптических элементов, чтобы компенсировать искажения и выдать четкое изображение, к которому привык человеческий глаз. Все их заменила одна дифракционная наноструктура.

“Технология производства дифракционных линз в чем-то сопоставима с производством компакт-дисков, — пояснил директор Института искусственного интеллекта университета Артем Никоноров. — На поверхность кварцевого стекла наносится фоточувствительное вещество — резист. Его толщина составляет семь микрон. С помощью лазерного луча на резисте выводится 256-уровневый рельеф. С его помощью происходит “приближение” фотографируемого объекта, а компенсацию искажений обеспечивает последующая цифровая обработка изображений на основе сверточных нейронных сетей”.

Произвести такую линзу можно всего за полчаса в лабораториях. При необходимости можно выпускать тысячи подобных оптических элементов в месяц.

Первый в мире сверхлегкий дифракционный объектив, в основу которого и легла чудо-линза, ученые университета представили на технологической конференции WebSummit в Лиссабоне в 2017 году. А уже весной 2021 года в космос отправились сверхлегкие оптические системы, установленные на спутниках наноразмера “Cube SX-HSE” и “Cube SX Sirius HSE”. Назначение этой оптики — дистанционное зондирование Земли. После приема с орбиты снимки, сделанные такой оптикой, доставляются для дальнейшей обработки нейросетями в Самарский университет им. Королева.

Не менее важна здесь и экономика процесса: помимо малого веса и размера, оптику на дифракционной линзе выгодно отличает цена. К примеру, зарубежный объектив для наноспутника Gecko Imager стоит около 23 тысячи евро, самарская же оптическая система на порядок дешевле.

Конечно, миниатюрные оптические системы наноспутников по своей разрешающей способности уступают громоздкой оптике, устанавливаемой на больших космических аппаратах дистанционного зондирования Земли и весящих от 500 кг до нескольких тонн. Разрешение минисистем составляет лишь около 100 метров на пиксель. Однако именно на основе низкобюджетных наноспутников с компактной оптикой можно создавать большие орбитальные группировки из сотен космических аппаратов. Это позволит мониторить Землю в режиме реального времени, оперативно получая изображение необходимого участка поверхности. Такая скоростная информация важна, например, для отслеживания распространения природных пожаров, паводков, для наблюдения за сельскохозяйственными посевами.

Еще один прибор, сконструированный также на основе дифракционный линзы, был выведен в космос в августе 2022 года в рамках проекта «Space-Pi». Речь идет о первом гиперспектрометре в России для наноспутников формата CubeSat, созданном учеными Самарского университета им. Королева и Института систем обработки изображений РАН.

Исследовательский прибор позволяет проводить гиперспектральное дистанционное зондирование Земли. Он снимает в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Количество его спектральных каналов составляет от 150 до 300, спектральное разрешение — от 2 до 4 нм. Масса гиперспектрометра также невелика — всего 1,6 кг, размеры — 13 х 9,4 х 9,4 см, то есть он занимает менее половины внутреннего пространства наноспутника.

Как отмечают ученые, задача уместить полноценный космический гиперспектрометр в наноспутнике формата 3U размерами 10х10х30 см оказалась достаточно сложной, но интересной.

Первые испытания в космосе показали, что гиперспектрометр успешно решил поставленные задачи в сфере умного земледелия. “В силу компактности наноспутника передача данных на Землю ведется в УКВ-диапазоне, это снижает объем и детализацию получаемых данных в отличие от больших спутников. Но этих данных достаточно для определения спектральных вегетационных индексов растений”, — отметил профессор кафедры технической кибернетики Самарского университета Роман Скиданов.

В зависимости от уровня влаги, минералов, температуры окружающей среды и других факторов растения по-разному поглощают и отражают электромагнитные волны в разных диапазонах, в разных спектрах. Сопоставляя эти данные с помощью мульти- или гиперспектральной съемки, можно дистанционно, оперативно и более точно оценивать состояние посевов той или иной культуры, не отправляя выборочно на лабораторный анализ отдельные растения или образцы почвы. Всего на основе спектральных данных высчитывается более 150 вегетационных индексов.

К примеру, снимки, полученные в ходе эксперимента с гиперспектрометра, позволили, определить участки озимых посевов с наибольшей зеленой массой, с большим количеством хлорофилла, а также проверить сельхозугодья на проблемные посевы. Полученные данные позволили оценить уровень запасов влаги в растениях и помогли рассчитать вегетационный индекс, позволяющий делать предварительный прогноз урожайности.

Еще один вид гиперспектрометра, созданный в университете, но работающий уже на Земле, — полевой. Ученые Самарского университета и Института систем обработки изображений РАН по заказу РосНИИПМ РАН создали “умную” систему адресного полива растений. Она включает в себя компактный изображающий гиперспектрометр весом всего 1 кг, с датчиками, бортовой компьютер со специальным программным обеспечением и контроллер для переключения форсунок на дождевальной машине.

Установленный на такую машину гиперспектрометр по изображению участка поля определяет, каким должен быть расход воды. Гиперспектральные датчики определяют влажность участков или содержание в почве определенных химических веществ и подают сигналы бортовому компьютеру, который через контроллеры управляет форсунками.

Стоимость комплекта системы управления составляет около 20 тысяч рублей на один агромелиоративный комплекс. При этом, согласно данным РосНИИПМ, применение адресного полива и внесения удобрений может повысить урожайность в среднем на 25-30%.

Но это не все! Ученые разработали сверхкомпактный гиперспектрометр, который в перспективе можно установить на любую видео- или фотокамеру, а также на смартфоны и планшетные компьютеры. Он представляет собой оптическую насадку диаметром 25 мм и длиной 30-40 мм и может использоваться для определения качества воды, почвы, продуктов питания и многого другого.

При этом стоимость главного оптического элемента гиперспектрометра — дифракционной решетки — не превысит тысячи рублей, поскольку Самарский университет располагает оригинальными технологиями их изготовления.

Пришла весна, а с ней и проблемы аграриев. Выращивать нужно больше, быстрее и без потерь. Теперь так можно. Самарские разработчики создали лампы, ускоряющие рост и улучшающие хранение растений. Начали с картофеля. Чтобы он не зеленел, склады стали подсвечивать зеленым спектром — именно в нем останавливается выработка хлорофилла.

Чтобы вырастить растения в условиях закрытого грунта, нужно поддерживать постоянный микроклимат и уровень освещенности. Теплицы нужно постоянно досвечивать. Раньше для этого использовали люминесцентные лампы — это очень дорогой способ. Светодиодные лампы дешевле. Но состав спектра такого светильника не соответствует потребностям растений. Изучив его, можно воздействовать на разные стадии роста растений.

«Конечно же большую роль играет белый свет. Но к белому свету, добавочно, на первом этапе мы добавляем красный свет и желтый свет в соотношении 1 к 2. Синий свет позволяет стеблю утолщаться. Корневая система развивается, растение компактное. Растение не вытягивается к другому источнику света», — рассказывает Гульсум Тумаева, научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Микробиотехнология» Самарского государственного аграрного университета.

В Самаре исследования уже помогли создать биомодуль для выращивания зелени и овощей. Промышленный образец можно создать, просто настроив модуль под конкретные требования аграриев. Эксперименты доказали, что редис в такой камере со светодиодными лампами созревает на неделю раньше. Быстрее растет салат, базилик и другая пряная зелень.

Для массового выращивания растений такой небольшой биомодуль не подойдет. Ученые решили проблему создав проект контейнерного фитомодуля. Идея та же. Размеры блока составляют 4х5 м с учетом утеплителя. Установка готова и проходит испытания. Ее можно будет использовать для выращивания свежей зелени в условиях Крайнего Севера, где и света и тепла не хватает. Контейнеры могут работать круглогодично. Тепло от светильников будет сохраняться внутри как в термосе, а это уже экономия ресурсов. Затрат меньше — продукции больше.

Технологии дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ) из космоса представляют собой незаменимый инструмент изучения и постоянного мониторинга планеты, помогающий эффективно управлять ее ресурсами. Системы радиолокационного ДЗЗ разрабатываются в центре, базирующемся в Поволжском государственном университете телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ). О работе центра рассказал в интервью его руководитель, проректор вуза по научной работе и действительный член Российской Академии космонавтики им. К.Э.Циолковского, д.т.н., профессор Олег Горячкин.

— Какие задачи стоят перед Центром радиолокационного дистанционного зондирования Земли (ЦР ДЗЗ)?

— Центр ДЗЗ был создан с целью обеспечения государственных структур и частных компаний информацией, основанной на анализе спутниковых данных, полученных в ходе дистанционного зондирования Земли в радиодиапазоне. В задачи центра входят также собственно разработка новых методов и технологий радиолокационного ДЗЗ, улучшение качества анализа и дешифровки получаемой информации. Кроме того, это и обеспечение экспериментальными данными научных исследований, а также использование этих данных и методов в учебном процессе.

— В чем суть радиолокационного дистанционного зондирования земли? Где применяется эта технология?

— Сами технологии всем хорошо известны. Наверное, все знают, что в космосе на орбите Земли летает много космических аппаратов и спутников. Одни фотографируют земную поверхность в обычном диапазоне, передавая космические снимки высокой четкости, другие делают такие же снимки, только в радиодиапазоне.

Большая часть космических аппаратов с возможностью съемки в радиодиапазоне принадлежит Германии, США, Израилю, Италии, Китаю, Испании и Бразилии. К сожалению, среди этих стран пока нет России, но мы надеемся, что в будущем эта ситуация изменится.

До сегодняшнего момента наш центр был ориентирован на работу с данными иностранных спутников. У нас есть соответствующее программное обеспечение для обработки радиоснимков. Это собственное ПО, а также ПО российского производства. В 2009 году мы закупили его у АО «Ракурс» (один из признанных лидеров в области геоинформатики, цифровой фотограмметрии и дистанционного зондирования. Компания располагает собственными уникальными программными разработками, известными под торговой маркой PHOTOMOD. — Прим. ред.).

— В каком виде вы получаете информацию со спутника? В чем преимущества метода ДЗЗ в радиодиапазоне?

— Технология ДЗЗ в радиодиапазоне позволяет совершать съемку в любых условиях — ночью и днем в условиях облачности, дождя или снега. В радиодиапазоне это не является проблемой. Космический спутник передает сигнал — радиоголограмму. Он приходит в приемный пункт на Земле и дешифрует информацию. В частности, мы получали информацию у компании, расположенной в Германии. Тут радиоголограмма превращается в изображение и уже потом продается любым заинтересованным лицам. Для своих исследований мы покупали такую информацию просто как коммерческие потребители. Часть информации нам предоставили в рамках научного сотрудничества бесплатно.

— Снимки передают только изображение поверхности?

— Кроме самих снимков, радарная технология позволяет строить рельеф местности с точностью до трех-пяти метров. Это сопоставимо с лучшими оптическими системами. Добавьте к этому еще всепогодность и круглосуточность съемки.

Более того, радарные технологии позволяют измерять подвижность местности с точностью до миллиметра. Для этого берется базовая картинка рельефа и на нее накладывается еще одна. Разницу этих рельефов с точностью до миллиметров можно рассмотреть. Для отработки этих технологий мы используем специальные уголковые отражатели. Из космоса можно контролировать, насколько такой уголок «ходит» вместе с Землей. Такую информацию можно использовать для контроля состояния плотин, высотных домов, крупногабаритных сооружений.

— В чем именно состоит интерес Центра ДЗЗ при ПГУТИ к этой технологии?

— Наши исследования сегодня затрагивают технологии и методы дешифровки информации, передаваемой со спутников. Это очень трудоемкий и сложный процесс. Я сам занимаюсь этим всю свою жизнь. Я участвовал в создании первых советских космических радаров, первых российских цифровых радаров с высоким разрешением, установленных на самолетах. Много лет курировал разработку радаров, работая ведущим радарным инженером в ЦСКБ «Прогресс».

Если говорить о радарных системах, то они очень разные и зависят от того, в каком диапазоне частот работают. Приведу пример. Если взять снимок современного космического радара в сантиметровом диапазоне (просто картинку), то мы увидим рельеф, лес и деревья. Но если, например, танк заедет под дерево, то его уже не видно. Такая съемка отображает только верхнюю границу с воздуха. Поэтому многих интересуют радары других диапазонов, которые могут проникать не только через листву, но и желательно под землю.

— Есть ли выделенная частота, на которой вы можете работать?

— Да, есть разрешенная радиополоса, с которой мы работаем в диапазоне 145 МГц. Тут используются метровые волны, которые могут проникать и под землю, если не очень влажно. Но есть нюанс — итоговая картинка под землей и на земле сливается. Границу поверхности приходится определять по косвенным признакам. Для науки здесь много вопросов, их мы и пытаемся решить. В целом могу с уверенностью сказать, что мир стоит на пороге большого открытия, которое подтолкнет к массовому применению технологий радиовидения в быту, как это случилось в свое время со спутниковыми системами навигации «ГЛОНАСC» и GPS.

— Помимо дешифровки и обработки получаемой со спутника информации, пробовали ли вы применить свои разработки в других аспектах этой тематики?

— Мы пытались создавать собственные средства ДЗЗ различного вида, в том числе и космические. В 2010 году мы начали разработку экспериментального радара для проведения исследований. В состав аппаратуры входили бортовой передатчик и наземный комплекс приема обработки. Идея предполагала создание бистатической радиолокационной системы, когда из космоса на Землю направляются лучи в радиодиапазоне, а наземные средства собирают отраженные сигналы и по ним строят изображения. На разработку оборудования мы потратили около пяти лет. Наша аппаратура была запущена в 2015 году на спутнике «АИСТ-2Д», собранном АО РКЦ «Прогресс». К сожалению, передатчик радара не включился на орбите, и для экспериментов использовалась только наземная аппаратура.

— Как жаль! Удалось понять причину отсутствия сигнала? Проводились ли какие-то опытные испытания?

— Причину сложно установить. Конечно, мы проводили испытания на подобной аппаратуре в наземных условиях. Тогда радиолокационное изображение местности велось с движущегося автомобиля, на борту которого был установлен передатчик. Приемный пункт устанавливался где-то в стороне в виде мачты или приемной антенны. В таких условиях мы отработали технологию и одновременно получили собственные средства ДЗЗ.

— Расскажите, пожалуйста, еще о собственных разработках.

— Проведение тестовых испытаний космического радара подтолкнуло нас к созданию мобильного радиолокационного комплекса для использования при передвижении на автомобиле или вертолете, малой авиации. Для его тестирования мы выезжали на машине на какую-нибудь возвышенность и проводили исследования. Вся эта эпопея окончилась разработкой радарного комплекса для беспилотника. Над ним мы сейчас и работаем. Он в принципе уже собран и действует, проводится стадия летных испытаний, но в связи с запретом на полеты беспилотников процесс немного затормозился. Тут мы надеемся на поддержку губернатора Дмитрия Азарова — он обещал помочь.

— Как давно вы занимаетесь беспилотниками?

— С 2015 года мы работаем по этому направлению. В основном нас интересуют грузоподъемные беспилотники с массой более 15 кг, необходимые для переноса аппаратуры. Нужно их дорабатывать в плане устойчивости в полете и электромагнитной совместимости, так как на борт ставится довольно мощный передатчик. Беспилотник готов и оборудован всем необходимым, остались летные испытания.

— Можете ли вы рассчитывать на поддержку государства? Есть ли какие-то программы или проекты, позволяющие получить грант на разработку данного направления?

— Государство предоставляет довольно много возможностей для проектов, ориентированных на сферу массового потребления. Речь идет об инновационных проектах с идеей, в результате которой появится массовый продукт или на его основе начнется хозяйственная жизнь. На такие проекты государство выделяет огромные средства и усилия. Это понятно, так как позволяет запустить микроэкономику. Но наши проекты пока не ориентированы на массового потребителя.

— Удалось ли вам коммерциализировать вашу деятельность?

— Коммерциализация деятельности для нас никогда не была самоцелью — мы все-таки научная организация. А вот предоставить потенциальным потребителям доступ к прорывным технологиям и решить совместно с ними практическую задачу нам было интересно. Например, компания “СМАРТС”, будучи тогда еще оператором связи, высказала заинтересованность в оптимальном размещении своих базовых станций для обеспечения наилучшего покрытия сети. Для этого компания запросила информацию с коррекцией рельефа, где было бы видно, где построили новые здания, где срубили деревья. Было еще несколько обращений от телекоммуникационных компаний, для которых мы выполняли похожую работу, делали высотные модели Самары и Казани.

Кроме того, результаты метода дистанционного зондирования часто применяются в сельском хозяйстве, геодезии, картографировании, мониторинге поверхности суши и водной поверхности, а также слоев атмосферы.

— Много ли подобных центров в России?

— Таких центров, специализирующихся на радиолокационных технологиях, как у нас, немного. Обычно это приемные пункты спутниковой информации оптического диапазона. Такой приемный пункт есть в Самарском университете. При этом они располагают возможностью приема сигнала непосредственно с канадского радиолокационного спутника RadarSat. Научный центр оперативного мониторинга Земли (НЦОМЗ, входит в госкорпорацию Роскосмос) располагает информацией сразу с нескольких отечественных спутников. Четыре приемных центра — в Москве, Иркутске, Магадане и Мегионе — есть у группы компаний «СКАНЭКС», занимающейся не только обработкой изображений, но и разработкой, производством и внедрением технологий для работы с получаемыми изображениями Земли из космоса и оперативного доступа к ним.

Автор: Алексей Зверев