Новая камера сделает пять триллионов снимков за одну секунду
Группа ученых из Лундского университета в Швеции создала камеру, которая способна делать снимки со скоростью эквивалентной пяти триллионам изображений в секунду. Это позволит запечатлеть события длительностью около 0,2 триллионных доли секунды — например, химические реакции или движение света на коротком отрезке пути. Работа исследователей принята к публикации в журнале Light:Science and Applications (pdf).
Возможность заснять события, которые занимают миллионные доли секунды, играет важную роль для понимания физических, химических и биологических процессов. Благодаря скоростной съемке можно изучать динамику взаимодействия между заряженными частицами, фотосинтез и переходные состояния в химических реакциях. Как правило, исследователи используют камеры, которые последовательно фиксируют кадры один за другим, после чего склеивают полученные изображения в короткий фильм. Однако такой метод применим только для полностью воспроизводимых процессов.
Авторы новой работы создали камеру, которая позволяет делать прямую видеосъемку события. Ее работа основана на принципе фемто-фотографии: интересующий исследователей объект «облучается» ультракороткими вспышками лазерного излучения, после чего сенсоры камеры улавливают отраженный свет. Каждый световой импульс имеет свой уникальный «код» благодаря тому, что он проходит через несколько поляризаторов, которые пропускают электромагнитные волны только определенной ориентации. Всего в одном записанном «кадре» содержится четыре изображения, которые последовательно извлекаются с помощью специального алгоритма. Это позволяет получить снимки с хорошим временным разрешением.
Работу нового устройства проверили тестом «light-in-flight». На видео ниже показано, что исследователям удалось визуализировать, как световая вспышка проходит путь, длина которого эквивалентна толщине бумажного листа. В реальности это занимает всего пикосекунду (одну триллионную долю секунды), однако в видео процесс замедлен в триллион раз:
«Эта техника применима не ко всем природным процессам, однако она подходит для изучения некоторых, например взрывов, выбросов плазмы, турбулентного горения, активности головного мозга животных и химических реакций. Теперь мы можем снимать такие ультракороткие события. В перспективе технология может быть использована в промышленности», — комментирует один из авторов работы.
Исследователи создали рабочий прототип нового устройства в сотрудничестве с частной немецкой компанией. По их мнению, чтобы устройство стало доступно и другим исследователям, понадобится еще пару лет.
В 2014 году ученые создали камеру, которая была способна делать снимки со скоростью, эквивалентной 4,4 триллиона кадров в секунду при разрешении 450 x 450 пикселей. В январе текущего года исследователи запечатлели световую «ударную волну», используя прибор, который снимает до 100 миллиардов кадров в секунду. Самый короткий промежуток времени, зафиксированный на сегодняшний день, — 850 зептосекунд. Такое временное разрешение потребовалось для исследования отрыва электрона от атома гелия.
Кристина Уласович
Его система управления автоматически находит оптимальные точки в воздушных потоках
Инженеры разработали алгоритм управления для беспилотников самолетного типа, который позволяет парить на восходящих воздушных потоках, расходуя в 150 раз меньше энергии, чем при активном полете с работающим двигателем. Алгоритм отслеживает и подстраивается под непрерывно изменяющиеся воздушные потоки, сохраняя высоту. Препринт доступен на arXiv.org. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Беспилотники самолетного типа более энергоэффективны, чем мультикоптеры. Благодаря крыльям они способны преодолевать большие дистанции и могут гораздо дольше находиться в воздухе. Причем эти параметры могут быть увеличены за счет парения — планирующего полета, в котором аппарат использует восходящие воздушные потоки для удержания в воздухе без использования тяги двигателей, аналогично тому, как это делают некоторые птицы. Группа инженеров под руководством Гвидо де Круна (Guido de Croon) из Делфтского технического университета разработала систему управления, которая позволяет беспилотникам самолетного типа без какой-либо предварительной информации о поле ветра самостоятельно находить оптимальные точки в восходящих воздушных потоках и использовать их для длительного парения с минимальным расходом энергии. В системе управления вместо обычного ПИД-регулятора используется метод инкрементальной нелинейной динамической инверсии, контролирующий угловое ускорение, подстраивая его под желаемые значения. Система управления может без изменения настроек работать и в режиме парения, и при полете с включенным двигателем во время поиска новых оптимальных точек в воздушных потоках или для компенсации резких порывов ветра. Для поиска оптимальных точек в поле ветра, в которых скорость снижения полностью компенсируется восходящим потоком воздуха, применяется алгоритм имитации отжига. Он случайно выбирает направления в пространстве пытаясь найти такую точку, в которой беспилотник может устойчиво лететь с минимально возможной тягой двигателя. Для тестов инженеры построили 3D-печатный прототип на основе модели радиоуправляемого самолета Eclipson model C. Он имеет размах крыла 1100 миллиметров и массу 716 грамм вместе с аккумуляторной батареей. В качестве полетного контроллера применяется Pixhawk 4. Помимо установленного под крылом и откалиброванного в аэродинамической трубе сенсора скорости, беспилотник имеет GPS-модуль для отслеживания положения во время полетов на открытом воздухе. В помещении применяется оптическая система Optitrack. Испытания проводились в аэродинамической трубе, возле которой установили наклонную рампу, для создания восходящего воздушного потока. Прототип запускали в воздушном потоке сначала на ручном управлении, после чего включали автопилот. Разработчики провели эксперименты двух типов. В первом они постепенно изменяли скорость воздушного потока от 8,5 до 9,8 метров в секунду при фиксированном угле наклона рампы. Во втором эксперименте скорость воздушного потока оставалась неизменной, зато менялся угол установки подиума. В обоих случаях алгоритм системы управления быстро находил в поле ветра точки, в которых мог поддерживать планирующий полет в течение более чем 25 минут, лишь изредка задействуя тягу двигателя в среднем лишь на 0,25 процента от максимальной, хотя при таких значениях воздушного потока для поддержания обычного полета требуется около 38 процентов. При изменении поля ветра из-за изменившегося угла наклона рампы или скорости воздушного потока алгоритм успешно находил и удерживал новое положение равновесия. В будущем инженеры планируют провести испытания на открытом воздухе. https://www.youtube.com/watch?v=b_YLoinHepo Американские инженеры и планетологи предложили использовать планер, способный длительное время держаться в воздухе за счет восходящих потоков и термиков, для изучения каньонов Марса. Предполагается, что такие аппараты с надувными разворачиваемыми крыльями могут стартовать с аэростата или дирижабля и затем планировать в атмосфере Марса от 20 минут до суток.