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高光谱相机可以瞬间捕捉到大量数据!

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  在莱斯大学TuLIPSS光谱仪中,一束束的光纤瞬间将空间和光谱数据传输到检测器。然后可以处理这些数据以进行快速环境或生物分析。从太空拍摄的标准快照并不能完全揭示地球的美丽。有很多东西值得关注。

为了揭示肉眼看不到的细节,莱斯大学的工程师正在开发一种便携式光谱仪,它可以安装在一个可以用飞机或无人机飞行的小卫星上,甚至一天。

莱斯大学布朗工程学院和韦斯自然科学研究所的生物工程师Tomasz Tkachik及其同事介绍了美国宇航局资助项目的第一批成果。该项目旨在开发一种具有不寻常多功能性的小型精密光谱仪,其研究发表在《光学快报》上。光谱仪是一种从物体或场景中收集光线,分离颜色并对其进行量化以确定其所见物质的化学成分或其他特征的仪器。 Rice设备被称为可调谐光波导图像处理快照光谱仪(TuLIPSS)。它将使研究人员能够即时捕获可见光和近红外光谱中的数据。

而不是像当前系统那样逐行扫描场景,然后重新组装。由TuLIPSS生成的高光谱图像中的每个像素包含光谱或空间信息。在这种情况下,“像素”是数千根光纤,它们是将图像分量传输到检测器的柔性光波导。因为他们可以重新定位光纤,研究人员可以自定义发送到探测器的图像和光谱数据的平衡。例如,可以调整设备以测量树的化学成分,以查看它是健康还是生病。它可以对细胞,叶子,社区,农场或行星做同样的事情。

在连续捕捉模式中,类似于相机的电机驱动,它可以显示固定场景中的光谱“指纹”如何随时间变化,或实时捕捉闪电的光谱特征。 TuLIPSS是独一无二的,因为它可以像任何相机一样工作,并立即捕获所有高光谱数据 - 研究人员称之为数据立方体。这意味着飞机或轨道卫星可以快速捕获地面图像,以避免运动模糊和数据失真。板载处理将过滤数据并仅将其发回地球,从而节省时间和资源。这将是Hurricane Harvey等活动中的一个有趣工具。洪水和潜在污染发生时

可以飞过水库的设备可以告诉人们饮用水是否安全。这比将人们发送到可能难以到达的网站更有效。在普通相机中,镜头将入射光聚焦到传感器芯片上并将数据转换为图像。在郁金香中,镜头将光线聚焦到中间链路上:一束光纤。在目前的原型中,这些光纤收集了超过30,000个空间样本和61到750 nm范围内的61个光谱通道(基本上是数十万个数据点),它们被棱镜分成单独的分量带。并传递给探测器。然后,检测器将这些数据点输入到软件中,软件将软件重新组装成所需的图像或光谱。

利用TuLIPSS光谱仪拍摄的莱斯大学校园场景提供了可用于各种目的的光谱特征,可以立即收集数据用于环境或生物分析。图片:ModernOpticalInstrumentationandBio-ImagingLaboratory/RiceUniversity

光纤阵列在输入端被紧密压缩,并在输出端重新排列成可单独寻址的行,它们之间有间隙。避免重叠。线间距允许研究人员针对特定应用调整空间和光谱采样。第一作者王烨获得博士学位。来自莱斯大学今年。她和她的同事辛辛苦苦地创造了这个模型,手动组装和定位纤维束。他们用米饭内部和周围的场景对其进行测试,重建建筑物的图像以微调郁金香,并拍摄校园中树木的光谱图像以“检测”物种。还使用光谱数据成功分析了各种植物的健康状况。

休斯顿移动交通的连续捕获图像显示,系统可以看到哪些光谱随时间变化(例如移动车辆和更换交通信号灯)以及哪些是稳定的(其他一切)。该实验是一个有用的概念证明,用于说明光谱仪如何在动态情况下过滤运动模糊。该研究的作者之一,太空空间研究所所长,物理学和天文学教授大卫亚历山大说:研究人员已经开始与休斯顿市和赖斯金德城市研究所讨论该市的航空研究。测试机器的问题。既然我们还需要测试,我们想做一些有用的事情。

件下的快速数据收集。真正的挑战是决定首先关注什么,并最终取得足够的成功,下一阶段的研发将更加接近太空飞行。