Hyperspektral kamera fanger rigdom af data på et øjeblik

Standardbilleder fra rummet viser ikke helt Jorden i al sin herlighed. Der er så meget mere at se.

At afsløre detaljer, der er umulige at observere med det blotte øje, Ingeniører fra Rice University bygger et bærbart spektrometer, der kan monteres på en lille satellit, fløjet på et fly eller en drone eller en dag endda holdt i hånden.

Bioingeniør Tomasz Tkaczyk og hans kolleger på Rice's Brown School of Engineering og Wiess School of Natural Sciences har offentliggjort de første resultater fra et NASA-finansieret projekt for at udvikle et lille, sofistikeret spektrometer med usædvanlig alsidighed. Deres papir vises i Optik Express .

Et spektrometer er et instrument, der samler lys fra et objekt eller en scene, adskiller farverne og kvantificerer dem for at bestemme det kemiske indhold eller andre egenskaber ved det, det ser.

Ris -enheden, kaldet Tunable Light-Guide Image Processing Snapshot Spectrometer (TuLIPSS), vil lade forskere øjeblikkeligt indsamle data på tværs af det synlige og nær-infrarøde spektrum, i modsætning til nuværende systemer, der scanner en scene linje for linje og til senere genmontering.

Hver pixel i de hyperspektrale billeder produceret af TuLIPSS indeholder enten spektral eller rumlig information. "Pixelerne" i dette tilfælde er tusindvis af optiske fibre, fleksible lysførere, der leverer billedkomponenterne til en detektor. Fordi de kan flytte fibrene, forskere kan tilpasse balancen mellem billede og spektrale data, der sendes til detektoren.

Enheden, for eksempel, kan indstilles til at måle et træs kemi for at se, om det er sundt eller syg. Det kan gøre det samme for en celle, et enkelt blad, et kvarter eller en gård, eller en planet. I tilstanden kontinuerlig optagelse, ligner et kameras motordrev, det kan vise, hvordan de spektrale "fingeraftryk" i en stationær scene ændrer sig over tid, eller tag fat i den spektrale signatur af et lyn i realtid.

Tkaczyk sagde, at TuLIPSS er unikt, fordi det fungerer som ethvert kamera, fange alle hyperspektrale data - hvad forskere omtaler som en datakube - på et øjeblik. Det betyder, at et fly eller en kredsende satellit kan snappe et billede af jorden hurtigt nok til at undgå bevægelsessløring, der ville forvrænge dataene. Indbygget behandling filtrerer dataene og sender kun det nødvendige tilbage til Jorden, sparer tid og energi.

"Dette ville være et interessant værktøj i tilfælde af en begivenhed som orkanen Harvey, "Sagde Tkaczyk." Når der er en oversvømmelse og potentiel forurening, en enhed, der kunne flyve over et reservoir, kunne fortælle, om det vand er sikkert for folk at drikke. Det ville være mere effektivt end at sende nogen til et websted, der kan være svært at nå. "

I et normalt kamera, en linse fokuserer indgående lys på en sensorchip og konverterer dataene til et billede. I TuLIPSS, linsen fokuserer dette lys på en mellemmand:bundtet af optiske fibre.

I den nuværende prototype, disse fibre samler mere end 30, 000 rumlige prøver og 61 spektrale kanaler i området 450 til 750 nanometer-hovedsageligt hundredtusinder af datapunkter - delt af prismer i deres komponentbånd og videregivet til en detektor. Detektoren føder derefter disse datapunkter til software, der rekombinerer dem til de ønskede billeder eller spektre.

Fiberarrayet er tæt pakket ved input og omarrangeret til individuelt adresserbare rækker ved output, med huller imellem dem for at undgå overlapning. Mellemrum mellem rækkerne gør det muligt for forskere at indstille rumlig og spektral prøvetagning til specifikke applikationer, Sagde Tkaczyk.

Første forfatter Ye Wang, der fik sin doktorgrad i år ved Rice, og hendes kolleger byggede omhyggeligt prototypen, samling og placering af fiberbundterne i hånden. De brugte scener i og omkring Rice til at teste det, rekonstruere billeder af bygninger for at finjustere TuLIPSS og tage spektrale billeder af campus træer for at "opdage" deres art. De har også med succes analyseret sundheden for forskellige planter med spektrale data alene.

Kontinuerlige optagelsesbilleder af trafik i bevægelse i Houston viste systemets evne til at se, hvilke spektre der skifter over tid (såsom bevægelige køretøjer og skiftende trafiklys), og hvilke der er stabile (alt andet). Eksperimentet var et nyttigt proof-of-concept for at vise, hvor godt spektrometeret kunne filtrere bevægelsessløring i dynamiske situationer.

Medforfatter David Alexander, professor i fysik og astronomi og direktør for Rice Space Institute, sagde, at forskerne har indledt diskussioner med byen Houston og Rice's Kinder Institute for Urban Research om testning af TuLIPSS i luftstudier af byen.

"Da vi alligevel skal teste TuLIPSS, vi vil gøre noget nyttigt, " han sagde, at foreslå et hyperspektralt kort over byen kunne afsløre, hvordan bylandskabet ændrer sig, skelne bygninger fra parker eller kortlægge pollenkilder. "I princippet, regelmæssige flyvninger over byen giver os mulighed for at kortlægge de ændrede forhold og identificere områder, der kræver opmærksomhed. "

Tkaczyk foreslog, at fremtidige versioner af TuLIPSS vil være nyttige til landbrugs- og atmosfærisk analyse, algeopblomstring og andre miljøforhold, hvor hurtig dataindsamling vil være værdifuld.

”Den virkelige udfordring har været at beslutte, hvad der skal fokuseres på først, "Sagde Alexander." I sidste ende, vi vil have succes nok til, at den næste udviklingsfase skubber os tættere på at flyve TuLIPSS i rummet. "