CC BY
17DOI 10.24412/2308-6920-2021-6-416-417
АКУСТООПТИЧЕСКИЙ ГИПЕРСПЕКТРОМЕТР С ВОЗМОЖНОСТЬЮ АВТОНОМНОЙ РАБОТЫ
11 2 Пожар В.Э. , Мачихин А.С. , Бердников С.В. ,
1 1 2 1* Баландин И.А. , Козлов А.Б. , Шматко В.Ю. , Гапонов М.И.
'Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, г. Москва
2
Южный научный центр Российской академии наук РАН, г. Ростов-на-Дону
E-mail: gaponov@ntcup.ru
На текущий момент гиперспектральная съемка остаётся одним из наиболее перспективных методов оперативного мониторинга и бесконтактного анализа в области биологии растений и сельского хозяйства [1]. Одно из важных направлений - проведение полевых исследований в реальном времени. Типовые задачи для гиперспектральной съемки в поле - фенотипирование, оценка спелости фруктов, измерение содержания хлорофилла и азота, обнаружение признаков стресса растений [2]. Гиперспектральные методы, в сравнении с RGB и мультиспектральной съемкой, дают возможность получать и интерпретировать значительно больший объем данных, что позволяет решать указанные задачи с большей эффективностью. Однако получаемый большой объем данных имеет и отрицательную сторону - повышение сложности сбора, хранения и обработки данных. Для полевых приборов, работающих во внелабораторных условиях, это требует увеличения ресурсов, как вычислительных, так, соответственно, и габаритов, и электропитания. Поэтому нет смысла в этом случае стремиться получить максимально возможный объем данных. Выходом из этой ситуации на этапе обработки является снижение размерности изображений [3], что не решает проблему затрат на сбор и хранение избыточных данных. Более эффективным решением является снижение количества спектральной информации на этапе съемки при сохранении ее информативности, для чего необходимы гиперспектральные приборы, регистрирующие одномоментно пространственное распределение, (фотокамеры) с последовательной регистрацией спектральных каналов. Акустооптические (АО) перестраиваемые фильтры, выделяющие излучение в узком спектральном интервале и при этом не разрушающие изображение, относятся к такой категории спектральных устройств. К тому же, они обладают возможностью произвольной и быстрой спектральной адресации, что является дополнительным преимуществом. Приборы на этой основе представляют большой интерес.
Кроме указанных принципиальных свойств, приборы для практического применения должны обладать еще рядом свойств: технических (спектральный диапазон и полоса пропускания, поле зрения и пространственное разрешение, светосила, быстродействие), эксплуатационных (габариты, вес, питание, устойчивость к природным факторам), эргономических (простота наведения на объект, фиксация/крепление, минимизация подготовительных процедур и отсутствие многочисленных проводных соединений), программно-методических (понятный и информативный пользовательский интерфейс автоматизация обработки данных, простота и надежность калибровки, оперативность отображения результатов, разнообразие средств хранения и передачи данных). Следует отметить, что хотя многие требования имеют прикладной и инженерный характер, но их реализация оказывает влияние на многие базовые элементы АО гиперспектрометра, в том числе на оптическую схему и электронные модули управления.
В докладе представлен разработанный и созданный акустооптический гиперспектрометр для автономной съемки, в котором реализованы многие вышеуказанные требования.
Прибор (рис.1,а) работает по принципу последовательного накопления спектральных снимков. Спектральным элементом является акустооптический перестраиваемый двойной монохроматор изображений. Используемая схема с двойной спектральной фильтрацией изображений позволяет увеличить контраст изображения, увеличить спектральное разрешение, а также исправить значительное число аберраций, возникающих в одиночном АО фильтре. Основные технические характеристики: рабочий спектральный диапазон - 450-850 нм, полоса пропускания - 120 см-1, что составляет 3.5 нм на длине волны 532 нм, максимальный размер изображения 1024 X 1024 элементов в поле зрения 4°X5° элементов, которое может преобразовываться объективом в 15°X20° (при том же световом потоке).
416 №6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
Рис. 1. Акустооптический гиперспектрометр: а) вид в транспортировочном кейсе; б) интерфейс управления в одном из режимов
Габариты, вес и форм-фактор позволяют проводить установку и измерения одним человеком. Возможность питания как от сети, так и от аккумулятора позволяет проводить измерения, в том числе и во внелабораторных условиях. Управление, передача данных и питание осуществляется в соответствии с широко распространенными стандартами 1000BASE-T и IEEE 802.3at. Такой подход позволяет минимизировать количество кабелей и использовать существующую сетевую инфраструктура для подключения камеры, что облегчает её интеграцию. Кроме того, это дает возможность установки в труднодоступных и удаленных местах с использованием относительно простых вспомогательных элементов.
Разработанное методическое обеспечение позволяет получать спектральные снимки объекта, определять спектр в каждом элементе изображения, отображать информацию на экране в различном виде (рис.1,б), варьировать параметры измерительной аппаратуры и параметры измерений. Программное обеспечение позволяет задавать режим измерений для реализации автономных измерений по заданной программе. Также возможно удаленное (по сети) управление прибором и оперативное получение информации об объекте.
Предварительное тестирование АО гиперспектрометра в аквакомплексе ЮНЦ РАН показало ее работоспособность в натурных условиях и позволила получить множество гиперспектральных данных о динамике развития аквакультур, которые сейчас обрабатываются и будут представлены в отдельной публикации.
Литература
1. Lu B et al. Remote Sens., 12, 2659 (2020)
2. Benelli A., Cevoli C., Fabbri A. Journal of Agricultural Engineering, 51(3), 129-139 (2020)
3. Hidalgo D.R. et al. Dimensionality reduction of hyperspectral images of vegetation and crops based on self-organized maps, Information Processing in Agriculture, (2020), ISSN 2214-3173
№6 2021 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2021»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 417
