Buntar av optiska fibrer i Rice Universitys TuLIPSS-spektrometer levererar rumslig och spektral data till en detektor på ett ögonblick. Den informationen kan sedan bearbetas för snabb miljö- eller biologisk analys. Kredit:Modern Optical Instrumentation and Bio-Imaging Laboratory/Rice University
Standardbilder från rymden visar inte riktigt jorden i all sin ära. Det finns så mycket mer att se.
Att avslöja detaljer omöjliga att observera med blotta ögat, Ingenjörer från Rice University bygger en bärbar spektrometer som kan monteras på en liten satellit, flugit på ett flygplan eller en drönare eller någon dag till och med hållen i handen.
Bioingenjör Tomasz Tkaczyk och hans kollegor vid Rice's Brown School of Engineering och Wiess School of Natural Sciences har publicerat de första resultaten från ett NASA-finansierat projekt för att utveckla ett litet, sofistikerad spektrometer med ovanlig mångsidighet. Deras papper visas i Optik Express .
En spektrometer är ett instrument som samlar ljus från ett objekt eller en scen, separerar färgerna och kvantifierar dem för att bestämma det kemiska innehållet eller andra egenskaper hos vad det ser.
Rice -enheten, kallad Tunable Light-Guide Image Processing Snapshot Spectrometer (TuLIPSS), låter forskare omedelbart fånga data över det synliga och nära infraröda spektrumet, till skillnad från nuvarande system som skannar en scen rad-för-rad och för senare återmontering.
Varje pixel i de hyperspektrala bilder som produceras av TuLIPSS innehåller antingen spektral eller rumslig information. "Pixlarna" i det här fallet är tusentals optiska fibrer, flexibla ljusledare som levererar bildkomponenterna till en detektor. Eftersom de kan flytta fibrerna, forskare kan anpassa balansen mellan bild och spektral data som skickas till detektorn.
Enheten, till exempel, kan ställas in för att mäta kemin i ett träd för att se om det är friskt eller sjukt. Det kan göra samma sak för en cell, ett enda blad, ett grannskap eller en gård, eller en planet. I kontinuerligt inspelningsläge, liknande en kameras motordrift, det kan visa hur de spektrala "fingeravtryck" i en stationär scen förändras över tiden, eller ta tag i den spektrala signaturen av en blixt i realtid.
Tkaczyk sa att TuLIPSS är unikt eftersom det fungerar som vilken kamera som helst, fånga all hyperspektral data - vad forskare kallar en datakub - på ett ögonblick. Det betyder att ett flygplan eller en kretsande satellit kan ta en bild av marken tillräckligt snabbt för att undvika rörelseoskärpa som skulle snedvrida data. Inbyggd bearbetning filtrerar data och skickar bara det som krävs tillbaka till jorden, spara tid och energi.
"Det här skulle vara ett intressant verktyg i fallet med en händelse som orkanen Harvey, "Tkaczyk sa." När det finns en översvämning och potentiell kontaminering, en enhet som kan flyga över en reservoar kan berätta om det vattnet är säkert för människor att dricka. Det skulle vara mer effektivt än att skicka någon till en webbplats som kan vara svår att nå."
En scen från Rice University -campus som fångats med TuLIPSS -spektrometern ger spektrala signaturer som kan filtreras för många ändamål. Systemet gör det möjligt att samla in data på ett ögonblick för miljö- eller biologisk analys. Kredit:Modern Optical Instrumentation and Bio-Imaging Laboratory/Rice University
I en vanlig kamera, en lins fokuserar inkommande ljus på ett sensorchip och omvandlar data till en bild. I TuLIPSS, linsen fokuserar det ljuset på en mellanhand:bunten med optiska fibrer.
I den nuvarande prototypen, dessa fibrer samlar mer än 30, 000 rumsliga prover och 61 spektrala kanaler i området 450 till 750 nanometer-i huvudsak hundratusentals datapunkter – uppdelade av prismor i deras komponentband och skickas vidare till en detektor. Detektorn matar sedan dessa datapunkter till programvara som rekombinerar dem till önskade bilder eller spektra.
Fiberarrayen är tätt packad vid ingången och omarrangerad till individuellt adresserbara rader vid utgången, med luckor mellan dem för att undvika överlappning. Genom att placera raderna kan forskare ställa in rums- och spektralprovtagning för specifika applikationer, sa Tkaczyk.
Förste författaren Ye Wang, som tog sin doktorsexamen i år på Rice, och hennes kollegor byggde noggrant prototypen, montering och placering av fiberknippen för hand. De använde scener i och runt Rice för att testa det, rekonstruera bilder av byggnader för att finjustera TuLIPSS och ta spektralbilder av campusträd för att "upptäcka" deras art. De analyserade också framgångsrikt hälsan hos olika växter med enbart spektrala data.
Kontinuerliga fångstbilder av rörlig trafik i Houston visade systemets förmåga att se vilka spektra som skiftar över tiden (som att flytta fordon och byta trafikljus) och vilka som är stabila (allt annat). Experimentet var ett användbart proof-of-concept för att visa hur väl spektrometern kunde filtrera rörelseoskärpa i dynamiska situationer.
Medförfattare David Alexander, professor i fysik och astronomi och chef för Rice Space Institute, sa att forskarna har påbörjat diskussioner med staden Houston och Rices Kinder Institute for Urban Research om att testa TuLIPSS i flygstudier av staden.
"Eftersom vi måste testa TuLIPSS ändå, vi vill göra något nyttigt, " han sa, att föreslå en hyperspektral karta över staden kan avslöja hur stadslandskapet förändras, skilja byggnader från parker eller kartlägga pollenkällor. "I princip, regelbundna flygningar över staden gör att vi kan kartlägga de förändrade förhållandena och identifiera områden som behöver uppmärksamhet. "
Tkaczyk föreslog att framtida versioner av TuLIPSS kommer att vara användbara för jordbruks- och atmosfäranalyser, algblomning och andra miljöförhållanden där snabb datainsamling kommer att vara värdefull.
"Den verkliga utmaningen har varit att bestämma vad man ska fokusera på först, "Sa Alexander." I slutändan, vi vill vara tillräckligt framgångsrika för att nästa utvecklingsfas driver oss närmare att flyga TuLIPSS i rymden. "
