Standaard snapshots vanuit de ruimte laten de aarde niet helemaal in al haar glorie zien. Er is zoveel meer te zien.

Om details te onthullen die niet met het blote oog waarneembaar zijn, Ingenieurs van Rice University bouwen een draagbare spectrometer die op een kleine satelliet kan worden gemonteerd. gevlogen op een vliegtuig of een drone of ooit zelfs in de hand gehouden.

Bio-ingenieur Tomasz Tkaczyk en zijn collega's van Rice's Brown School of Engineering en Wiess School of Natural Sciences hebben de eerste resultaten gepubliceerd van een door NASA gefinancierd project om een ​​klein, geavanceerde spectrometer met ongewone veelzijdigheid. Hun krant verschijnt in Optica Express .

Een spectrometer is een instrument dat licht van een object of een scène verzamelt, scheidt de kleuren en kwantificeert ze om de chemische inhoud of andere kenmerken van wat het ziet te bepalen.

Het Rice-apparaat, genaamd de Tunable Light-Guide Image Processing Snapshot Spectrometer (TuLIPSS), stelt onderzoekers in staat om direct gegevens over het zichtbare en nabij-infraroodspectrum vast te leggen, in tegenstelling tot de huidige systemen die een scène regel voor regel scannen en later weer in elkaar zetten.

Elke pixel in de hyperspectrale beelden geproduceerd door TuLIPSS bevat spectrale of ruimtelijke informatie. De "pixels" zijn in dit geval duizenden optische vezels, flexibele lichtgeleiders die de beeldcomponenten aan een detector leveren. Omdat ze de vezels kunnen herpositioneren, onderzoekers kunnen de balans aanpassen van beeld- en spectrale gegevens die naar de detector worden verzonden.

Het apparaat, bijvoorbeeld, kan worden afgestemd om de chemie van een boom te meten om te zien of deze gezond of ziek is. Het kan hetzelfde doen voor een cel, een enkel blad, een buurt of boerderij, of een planeet. In de continue opnamemodus, verwant aan de motoraandrijving van een camera, het kan laten zien hoe de spectrale "vingerafdrukken" in een stationaire scène in de loop van de tijd veranderen, of pak de spectrale handtekening van een bliksemschicht in realtime.

Tkaczyk zei dat TuLIPSS uniek is omdat het werkt zoals elke camera, het vastleggen van alle hyperspectrale gegevens - wat onderzoekers een gegevenskubus noemen - in een oogwenk. Dat betekent dat een vliegtuig of een in een baan om de aarde draaiende satelliet snel genoeg een beeld van de grond kan maken om bewegingsonscherpte te voorkomen die de gegevens zou vervormen. De verwerking aan boord filtert de gegevens en stuurt alleen wat nodig is terug naar de aarde. tijd en energie besparen.

"Dit zou een interessant hulpmiddel zijn in het geval van een gebeurtenis als orkaan Harvey, "Tkaczyk zei. "Als er een overstroming is en mogelijke besmetting, een apparaat dat over een reservoir kan vliegen, kan zien of dat water veilig is voor mensen om te drinken. Het zou effectiever zijn dan iemand naar een site te sturen die misschien moeilijk te bereiken is."

Bij een normale camera een lens focust binnenkomend licht op een sensorchip en zet de gegevens om in een afbeelding. In TuLIPSS, de lens richt dat licht op een tussenpersoon:de bundel optische vezels.

In het huidige prototype deze vezels verzamelen meer dan 30, 000 ruimtelijke monsters en 61 spectrale kanalen in het bereik van 450 tot 750 nanometer - in wezen, honderdduizenden datapunten - opgesplitst door prisma's in hun componentbanden en doorgegeven aan een detector. De detector stuurt deze datapunten vervolgens naar software die ze opnieuw combineert tot de gewenste beelden of spectra.

De vezelarray is dicht opeengepakt aan de ingang en herschikt in individueel adresseerbare rijen aan de uitgang, met openingen ertussen om overlapping te voorkomen. Door de rijen uit elkaar te plaatsen, kunnen onderzoekers ruimtelijke en spectrale bemonstering afstemmen op specifieke toepassingen, zei Tkaczyk.

Eerste auteur Ye Wang, die dit jaar promoveerde bij Rice, en haar collega's bouwden nauwgezet het prototype, het met de hand monteren en positioneren van de vezelbundels. Ze gebruikten scènes in en rond Rice om het te testen, het reconstrueren van afbeeldingen van gebouwen om TuLIPSS te verfijnen en het nemen van spectrale afbeeldingen van campusbomen om hun soort te "detecteren". Ze analyseerden ook met succes de gezondheid van verschillende planten met alleen spectrale gegevens.

Doorlopende beelden van bewegend verkeer in Houston toonden het vermogen van het systeem om te zien welke spectra in de loop van de tijd verschuiven (zoals bewegende voertuigen en veranderende verkeerslichten) en welke stabiel zijn (al het andere). Het experiment was een nuttige proof-of-concept om te laten zien hoe goed de spectrometer bewegingsonscherpte in dynamische situaties kon filteren.

Co-auteur David Alexander, hoogleraar natuurkunde en sterrenkunde en directeur van het Rice Space Institute, zei dat de onderzoekers gesprekken zijn begonnen met de stad Houston en Rice's Kinder Institute for Urban Research over het testen van TuLIPSS in luchtstudies van de stad.

"Omdat we TuLIPSS toch moeten testen, we willen iets nuttigs doen, " hij zei, wat suggereert dat een hyperspectrale kaart van de stad zou kunnen onthullen hoe het stedelijke landschap verandert, gebouwen te onderscheiden van parken of pollenbronnen in kaart te brengen. "In principe, Met regelmatige vluchten boven de stad kunnen we de veranderende omstandigheden in kaart brengen en gebieden identificeren die aandacht behoeven."

Tkaczyk suggereerde dat toekomstige versies van TuLIPSS nuttig zullen zijn voor landbouw- en atmosferische analyse, algenbloei en andere omgevingscondities waar snelle gegevensverzameling waardevol zal zijn.

"De echte uitdaging was om te beslissen waar we ons eerst op moeten concentreren, "Zei Alexander. "Uiteindelijk, we willen succesvol genoeg zijn dat de volgende ontwikkelingsfase ons dichter bij het vliegen met TuLIPSS in de ruimte brengt."