Меньше шума и больше возможностей: российские ученые предложили исследовать жизнь растений и насекомых с помощью звуковых фотонных сенсоров

Анализ звуковых сигналов, которые подают растения и насекомые, может многое сказать об их состоянии в тех случаях, когда изменения не видны глазу. Для этого можно применять специализированные распределенные датчики, выступающие как микрофон, который улавливает вибрации на разных частотах вблизи волоконного сенсора. Ученые из подведомственного Минобрнауки России Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения РАН (ПФИЦ Уро РАН) предложили новые алгоритмы цифровой обработки сигналов, получаемых с фотонных сенсоров, за счет чего повышается чувствительность и точность работы датчиков.

Запрос на простые и доступные устройства для анализа звуковых сигналов появился в аграрной сфере, где необходимо вести акустическое наблюдение за растениями, вредителями и, наоборот, теми насекомыми, которые приносят человеку и природе пользу.

«Недавно стало известно, что представители флоры подают сигналы в частотном диапазоне от 40 Гц до 80 кГц, и расшифровка этих данных может многое сказать об их состоянии: развивается ли растение нормально или испытывает сильный стресс ввиду каких-либо факторов. Что касается насекомых, например вредителей, то здесь акустический мониторинг позволяет зафиксировать их активность в тех случаях, когда прямой визуальный контроль невозможен», — рассказал Артем Туров, младший научный сотрудник лаборатории агробиофотоники Пермского научно-исследовательского института сельского хозяйства ПФИЦ УрО РАН.

Чувствительные элементы таких фотонных систем представляют собой тончайшее оптическое волокно, каждая точка которого выступает в роли микрофона, способного улавливать вибрации на разных частотах вблизи сенсора. Перед учеными стояла задача изучить возможности применения фотонной элементной базы, которая бы сделала распределенный акустический мониторинг доступным инструментом, в том числе для решения задач сельского хозяйства и биологии.

Научному коллективу из ПФИЦ УрО РАН удалось оптимизировать систему опроса распределенного сенсора, добившись значительного подавления шума при передаче сигналов и сделав саму систему ощутимо дешевле современных аналогов.

«Совместное применение как хорошо известных, так и новых алгоритмов цифровой обработки сигналов стало важным фактором успеха — это позволило получить спектры акустического сигнала с ослабленной более чем в 20 раз шумовой компонентой. Конечно, подобные исследования ведутся в разных странах мира, но довольно часто иностранные коллеги выбирают обратный путь — усложнение системы», — пояснил Юрий Константинов, заведующий лабораторией фотоники ПФИЦ УрО РАН.

Сейчас научный коллектив проводит серию дополнительных лабораторных испытаний. В ближайшие два года ученые планируют разработать версию системы для выездных исследований и испытать фотонные сенсоры в реальных условиях.

Результаты исследования, выполненного при поддержке Минобрнауки России, опубликованы в международном журнале.