Компактный космический спектрометр для устойчивого сельского хозяйства

Исследователи из Института прикладной оптики и точной механики Фраунгофера (Fraunhofer IOF) совместно с Airbus разработали гиперспектральный спектрометр в рамках проекта «Rainbow». Технология позволяет создавать цифровые карты полей, которые можно использовать в сельском хозяйстве в качестве карт для прецизионного внесения средств с учетом локации. Система будет представлена на Space Tech Expo в Бремене с 18 по 20 ноября.

Комбинация наблюдения Земли и анализа данных — ключевой компонент «умного земледелия» (smart farming). Новый компактный телескоп для наблюдения Земли демонстрирует концепцию «спектрометра на чипе» и позволяет проводить точный анализ состояния растений и почвы из космоса.

Космическая технология для сельского хозяйства

Центральный технологический подход — концепция спектрометра на чипе. Необходимые спектральные полосы проецируются 1:1 на градиентный фильтр, интегрированный непосредственно перед детектором. Это позволяет эффективно адаптировать спектральные каналы под конкретную задачу.

«Концепция позволяет объединить все основные функции спектрометра на одном чипе, — объясняет Лукас Цеттлитцер, руководитель проекта Rainbow в Fraunhofer IOF. — Вместо сложных оптомеханических компонентов соответствующие длины волн выбираются оптическими фильтрами. Результат — компактная, легкая и экономичная система с неизменно высоким качеством измерений».

Компактная конструкция и минимальные усилия по юстировке

В основе системы — телескоп Ричи-Кретьена, создающий особо точные изображения с помощью двух асферических зеркал. Разработка и изготовление телескопа выполнены Fraunhofer IOF на основе оптического дизайна от Airbus.

Специально адаптированный градиентный фильтр был изготовлен в Институте поверхностных технологий и тонких пленок Фраунгофера (IST) по разработанной там технологии EOSS, которая позволяет точно настраивать оптические свойства фильтра.

Особое внимание уделялось компактности и минимальным требованиям к юстировке — ключевым условиям для экономичного производства и миниатюризации. Система подходит для использования на малых спутниках.

Гиперспектральные данные для устойчивых решений

Спектрометр разлагает входящий свет на узкие полосы длин волн (в диапазоне 400–1700 нм) и регистрирует, как сильно разные спектральные диапазоны отражаются растениями и почвой. Это выявляет даже минимальные различия в растительности и структуре почвы, невидимые для обычных камер.

Собранные данные (с пространственным разрешением <20 метров) обрабатываются в цифровые карты, которые показывают, например, влажность, содержание питательных веществ или признаки болезней растений. Это позволяет осуществлять точное и ресурсоэффективное управление сельскохозяйственными землями.

«Никаких следов на орбите»

Помимо пользы для сельского хозяйства, решается задача устойчивости в космосе.

«Нашими металлооптическими системами для космоса, как здесь в проекте Rainbow, мы поддерживаем усилия ЕС и ESA по предотвращению образования нового космического мусора, — поясняет Лукас Цеттлитцер. — Наша оптика полностью сгорает при повторном входе в атмосферу и не оставляет следов на орбите».