Аннотация результатов, полученных в 2014 году
Выполнены экспериментальные исследования в области взаимодействия лазерного излучения с веществом для разработки приложения методов лазерной спектроскопии в исследованиях морской среды с использованием телеуправляемых необитаемых подводных аппаратов (ТНПА) в целях обеспечения экологической безопасности при добыче и транспортировке нефти. По результатам исследований в этом направлении создан эскизный проект погружаемого модуля лазерного спектрометра ТНПА для регистрации и измерения концентрации углеводородов нефти, растворённых в морской воде, а так же для измерения концентрации хлорофилла А и растворённого органического вещества, естественного происхождения, в подводной среде. Теоретические исследования позволили определить наиболее перспективные физические методы для создания аппаратно-программных комплексов (АПК), которые возможно использовать на малогабаритных беспилотных летательных аппаратах (МБПЛА) для проведения оперативного обследования ледовых полей в целях обеспечения безопасности судоходства и экологической безопасности в Арктике. В результате работ в этом направлении разработаны тактико-технические задания на аппаратно-программные комплексы предназначенные для: - измерения толщины льда с параметрическими акустическими излучателями, обеспечивающими измерения толщины льда более 2 метров при посадке МБПЛА на лёд; - дистанционного картирования толщины ледовых полей с использованием электромагнитного ВЧ излучения; - дистанционного картирования толщины ледовых полей с использованием пассивного оптического зондирования в видимом и ближнем ИК диапазонах; - дистанционной регистрации и измерения параметров нефтяных плёнок на морской поверхности с использованием оптических поляризационных камер. По результатам работ, выполненных на первом этапе проекта: 1. Опубликованы две статьи в журналах из базы SCOPUS; 2. Приняты в печать три статьи из базы SCOPUS; 3. Принята в печать одна статья в журнал из базы Web of Science; 4. Подана одна заявка - Патент на полезную модель; 5. Материалы исследований вошли в защищённую диссертацию на соискание степени кандидата физико-математических наук по специальности «Лазерная физика»; 6. Сделаны три доклада на международной конференции SPIE; 7. Сделано 5 докладов на молодёжной научно-практической конференции МГУ им. Адм. Г.И. Невельского «Молодёжь, наука, инновации»; На конференции была выделена отдельная секция посвящённая решению задач проекта; 8. Принято 2 доклада на международную конференцию «Underwater intervention» February 2015, USA; 9. Коллектив исследователей, участвующий в данном проекте получил в декабре 2014 г. премию РГО за экспедиционные исследования в Арктике, благодаря которым стало возможным выполнение данного проекта.

Аннотация результатов, полученных в 2015 году
Фундаментальные исследования были представлены в 2015 году лабораторными экспериментами по изучению процессов взаимодействия лазерного излучения фемтосекундной длительности с морской водой, содержащей органическое вещество в различных формах и клетки фитопланктона. Были исследованы пространственно-временные и спектральные характеристики филаментов, возникающих при распространении лазерного излучения с длительностями импульсов порядка 120 фс на длине волны 532 нм с энергией импульса до 23 мкДж (для исследования процессов комбинационного рассеяния и флуоресценции) и лазерным излучением с центральной длиной волны 800 нм, длительностью импульсов порядка 40 фс, энергией в импульсе до 3 мДж (для исследования процессов филаментации и оптического пробоя). Интенсивность менялась в широких пределах, чтобы иметь возможность измерять характеристики рассеянного излучения, взаимодействующего со средой в различных режимах. От интенсивностей при которых наблюдается спонтанное комбинационное рассеяние и флуоресценция органического вещества, до вынужденного рассеяния, филаментации и последующего оптического пробоя. Зарегистрированы значительные изменения параметров линий комбинационного рассеяния воды и линии флуоресценции хлорофилла А. Рассматриваются возможности использования полученных результатов для расширения возможностей лазерного мониторинга морской среды и разработки новых методов лазерного зондирования. Прикладная часть работ данного проекта была связана с разработкой аппаратно-программных комплексов для мониторинга подводных сред, морской поверхности и носителей аппаратно-программных комплексов (телеуправляемых и автономных подводных аппаратов и беспилотных летательных аппаратов). Были разработаны и прошли испытания два подводных носителя: ТНПА «Arctic Force» (рис. 1), и АНПА «Nimble» (2). Для АПК зондирования морской поверхности был разработан БПЛА, позволяющий нести полезную нагрузку и обеспечивать необходимую энергетику для работы АПК по проведению измерений толщины льда и АПК лазерного зондирования морской поверхности. Главной особенностью разрабатываемого устройства дистанционного измерения толщины льда является жесткое ограничение массогабаритных параметров, связанное с малой, до пяти килограммов, массой оборудования, носимого БПЛА. В этой связи, за аппаратную основу разрабатываемого электромагнитного измерителя толщины льда, принята микросхема однокристального импульсного широкополосного радиолокационного приемопередатчика, разработки фирмы Novelda - NVA-6100. Прием и излучение широкополосного сигнала осуществляется антеннами Вивальди, с полосой эффективного излучения – приема до 5 ГГц. Принцип измерения основан на традиционном георадарном методе зондирования толщины льда, в котором, в качестве зондирующих импульсов используется видеоимпульс длительностью доле наносекунды. Такой импульс обладает высокой проникающей способностью в диэлектрических средах (несколько метров в морском льду) и пространственным разрешением в несколько миллиметров. Толщина льда определяется выражением L= Vt/2, где V - групповая скорость распространения импульса во льду, t - время распространения импульса от верхней поверхности льда , до нижней и обратно. В разрабатываемом измерителе значение групповой скорости электромагнитного импульса оценивается в процессе измерения, известным в геофизике методом «общей глубинной точки» (ОГТ). Для реализации измерения групповой скорости этим способом, измеритель дополнен еще одной приемной антенной Вивальди, позволяющей вести разнесенные в пространстве излучение-прием. В рамках работы над проектом разработано так же техническое задание на программное обеспечение для дистанционного оперативного управления измерителем и постобработки результатов измерения. С целью получения данных измерений в реальном времени, разработана структура канала связи между измерителем толщины льда и судном обеспечения. Приобретены комплектующие модули для канала связи. Разработана методика измерений толщины льда с борта БПЛА, Определена предельная скорость и высота полета БПЛА а процессе измерения. Основные характеристики электромагнитного измерителя толщины льда (расчетные): - толщина измеряемого льда 0.05 - 3 м.; - погрешность измерения толщины льда <20%; - скорость полета БПЛА в режиме измерения < 20 км/час (ограничена каналом связи); - высота полета БПЛА в режиме измерения <1.5 м.; - масса измерителя толщины льда <2.5 кг; - энергопотребление (вместе с оборудованием канала связи) <6 Ватт. В 2015 году была проведена разработка акустического измерителя толщины льда, как АПК который необходим для калибровки данных полученных с АПК «Пикор-лёд» и как самостоятельный способ пямого измерения толщины льда при посадке БПЛА на лёд. Измерение толщины льда проводится акустическим локатором, при посадке БПЛА, с целью обеспечения непосредственного контакта его антенн со льдом. Лёд толщиной до 1 м. измеряется прямым высокочастотным эхолоцированием короткими радиоимпульсами. Для измерения толщин льда более одного метра используется параметрический метод, основанный на зондировании льда сложным параметрическим сигналом, образованном в толще льда при взаимодействии двух высокочастотных акустических сигналов накачки. К настоящему времени разработаны и изготовлены акустические излучающие и приемные антенны, изготовлены генераторы частот накачки, обеспечивающие импульсную излучаемую мощность до двух киловатт, разработаны и изготовлены приемники высокочастотного и низкочастотного параметрического эхосигналов, запрограммирован микроконтроллер управления измерением и первичной обработки информации. Оборудование подготовлено для натурных испытаний в бухтах залива Петра Великого. Испытания планируется провести в конце февраля – начале марта 2016 г., при достижении толщины льда максимальных значений. Параметры акустического измерителя толщины льда (расчетные): - измеряемая толщина льда (высокочастотным методом) 0.1 – 1 м.; - измеряемая толщина льда (параметрическим методом) 0.5 – 4 м.; - погрешность измерения толщины льда <10%; - масса оборудования <3 кг.; - энергопотребление < 3 Ватт. В 2015 году была закончена разработка погружного модуля лазерного спектрометра для измерения спектров лазерной индуцированной флуоресценции подводной среды. Изготовлен лабораторный вариант погружного модуля лазерного спектрометра. Проведены лабораторные испытания спектрометра ЛИФ, определены минимально-обнаружимые концентрации хлорофилла А, растворённого органического вещества, а также МОК растворённых углеводородов нефти, которые возможно регистрировать с использованием разработанного спектрометра ЛИФ. Информация о проекте публикуется на официальном сайте университета в разделе научных проектов (http://msun.ru/ru/csi_grant)

Аннотация результатов, полученных в 2016 году
В проекте проведены разработки новых методов и технических средств для обеспечения безопасности судоходства, экологической безопасности, а так же исследования поверхности морских акваторий и подводной среды, включая технические объекты, в условиях Арктики. Развитие новых оперативных методов исследования морских акваторий и подводной среды, а так же создание новых технических средств для проведения этих исследований в Арктике является актуальным, в настоящее время, в связи с развитием транспортной магистрали по Северному морскому пути и реализацией проектов экономического развития Арктического региона. Разработанные информационно-измерительные системы для оперативного обследования водных акваторий, технических объектов и подводной среды, с использованием ТНПА и БПЛА, позволят решать широкий круг задач, как в области научных исследований, так и в практических приложениях, связанных с обеспечением безопасности судоходства и экологической безопасностью в Арктическом регионе. Результаты фундаментальных исследований механизмов взаимодействия мощного лазерного излучения с морской средой, полученные в данном проекте, позволили, с одной стороны, провести техническую разработку АПК «Лазерный спектрометр» для ТНПА и БПЛА, которые прошли испытание в натурных Арктических условиях и в условиях мониторинга реального нефтяного загрязнения морской акватории. А с другой стороны, позволили заложить базу фундаментальных исследований для разработки нового направления морской робототехники – лазерной сенсорики подводных роботов. В результате экспериментальных исследований процессов взаимодействия фемтосекундных лазерных импульсов с морской водой, содержащей органическое вещество в различных формах (растворённое органическое вещество, растворённые углеводороды нефти, клетки фитопланктона и т.д.) были исследованы возможности использования лазерных УКИ для разработки новых методов исследования подводных сред и их использования в целях создания новых элементов лазерной сенсорики для подводных роботов: - Проведены исследования спектральных и временных характеристик комбинационного рассеяния молекул воды, лазерной индуцированной флуоресценции РОВ и хлорофилла А при возбуждении лазерными УКИ; - Определены пороги процесса филаментации в морской воде, содержащей РОВ и хлорофилла А в различных концентрациях. Показано, что наблюдается возрастание пороговых значений филаментации с увеличением концентрации хлорофилла А; - Определены значения порогов лазерного пробоя, при возбуждении лазерными УКИ, в морской воде при различных значениях концентрации хлорофилла А и РОВ; - Определены особенности спектров филаментов и лазерной искры, возбуждаемых в морской воде, содержащей живые клетки фитопланктона; - Получены предварительные результаты, позволяющие провести анализ особенностей спектрально-временных характеристик ЛИФ, филаментации и лазерного пробоя, возбуждаемых лазерными УКИ по сравнению с характристиками при возбуждении импульсами длительностью более времён поперечной релаксации. Разработана методика и лабораторный макет погружного модуля «Лазерного спектрометра» для использования в качестве элемента лазерной сенсорики ЛИФ подводного робота. ЛИФ сенсорика позволяет дистанционно проводить мониторинг органических веществ (определять форму органических веществ: растворённое органическое вещество, растворённые углеводороды нефти, пигменты клеток фитопланктона и проводить измерение их концентрации), находящихся в морской воде в различных состояниях. Лабораторный макет испытан в натурных условиях на акватории Залива Петра Великого и в Арктике на акватории Чукотского моря. В натурных условиях прошли проверку методические и технические решения, которые положены в основу создания ЛИФ сенсорики. Прошли проверку ПО и алгоритмы обработки спектральных измерений, на базе которых планируется провести разработку программных элементов искусственного интеллекта, которые предназначены для обеспечения ЛИФ сенсорики подводного робота. Результаты испытаний позволили получить основные параметры АПК «Лазерный спектрометр», которые позволяют надёжно регистрировать спектры ЛИФ и оперативно проводить измерение концентрации необходимых веществ в подводных средах. Были определены величины минимально обнаружимых концентраций растворённого органического вещества, растворённых углеводородов нефти и хлорофилла А, которые возможно зарегистрировать с использованием разработанного АПК. Это позволяет приступить к разработке окончательного варианта ЛИФ сенсора, который планируется адаптировать в антропоморфный комплекс (манипулятор и захват) подводного робота. 3. Получены результаты лабораторных и натурных экспериментов в целях создания АПК «Лазерный спектрометр» для БПЛА, который предназначен для оперативной регистрации нефтяных загрязнений на морской поверхности, измерения объёмов загрязнителей т определения их типа: 1. Результаты лабораторных экспериментов по исследованию спектров восходящего из воды излучения при наличии на поверхности нефтяной плёнки, позволили разработать методику и основные технические элементы АПК, позволяющие проводить оценку объёмов нефтяных разливов на морской поверхности с использованием беспилотных летательных аппаратов в пассивном режиме. В этом случае используется только приёмная часть спектрометра. Регистрируется спектральный состав и интенсивность отдельных спектральных компонент восходящего из морской толщи рассеянного солнечного излучения. Результаты лабораторных калибровок спектральных распределений восходящего излучения и обработка видеоизображений нефтяных разливов на морской поверхности, позволили осуществлять оценку объёмов нефтепродуктов на морской поверхности. Испытания приёмной части «Лазерного спектрометра» были проведены как в лабораторных условиях, так и при мониторинге реального нефтяного загрязнения в Амурском заливе (https://www.youtube.com/watch?v=2wG-3IBIsjs). Лабораторные исследования спектров лазерной индуцированной флуоресценции плёнок различных нефтепродуктов (различные сорта бензинов, дизельного топлива и остаточного судового топлива - мазут) позволили разработать методику определения типа нефтепродукта на морской поверхности с использованием «Лазерного спектрометра» на БПЛА и определить основные технические параметры активной части «Лазерного спектрометра». Созданы основные элементы ПО, которые необходимы для расчёта объёмов нефтяных загрязнений и идентификации типов нефтяных плёнок.