高光谱相机瞬间捕获大量数据

来自太空的标准快照并没有完全显示地球的所有荣耀。还有很多值得一看的地方。

为了揭示用肉眼无法观察到的细节，莱斯大学的工程师正在建造一种便携式 光谱仪 ，它可以安装在小型卫星上，飞机上飞机或无人机上，或者有一天甚至可以放在手中。

生物 工程师Tomasz Tkaczyk 和他在莱斯布朗工程学院 和 威斯自然科学 学院的同事 发表了美国宇航局资助项目的第一批结果，该 项目 旨在开发一种具有不同寻常多功能性的小型精密光谱仪。他们的论文出现在 Optics Express中。

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化学成分或其他特征的仪器。

Rice设备称为可调谐光导图像处理快照光谱仪(TuLIPSS)，可让研究人员即时捕获可见光和近红外光谱的数据，这与当前逐行扫描场景并稍后重新组装的系统不同。

由TuLIPSS产生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”是数千个光纤，柔性光导将图像组件传送到检测器。因为它们可以重新定位光纤，研究人员可以自定义发送到检测器的图像和光谱数据的平衡。

例如，可以调整该装置以测量树的化学成分，以确定它是健康的还是患病的。对于细胞，单叶，邻域或农场或行星，它可以做同样的事情。在连续捕捉模式中，类似于相机的 电机驱动，它可以显示静止场景中的光谱“指纹”如何随时间变化，或实时获取闪电的光谱特征。

Tkaczyk说TuLIPSS是独一无二的，因为它可以像任何相机一样工作，捕捉所有高光谱数据 - 研究人员称之为 数据立方体 - 瞬间。这意味着飞机或轨道卫星可以足够快地拍摄地面图像，以避免运动模糊，从而扭曲数据。板载处理将过滤数据并仅将所需内容发送回地球，从而节省时间和精力。

“对于像飓风哈维这样的事件，这将是一个有趣的工具，”Tkaczyk说。“当洪水泛滥和潜在污染时，能够飞越水库的设备可以判断人们饮用水是否安全。这比将某人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TuLIPSS中，镜头将光线聚焦到中间人身上：光纤束。

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纳米范围内的61个光谱通道 - 基本上是数十万个数据点 - 通过棱镜分成它们的分量带并传递给探测器。然后，检测器将这些数据点馈送到软件，软件将它们重新组合成所需的图像或光谱。

光纤阵列在输入端紧密排列，并在输出端重新排列成可单独寻址的行，它们之间有间隙以避免重叠。Tkaczyk说，行间距允许研究人员调整特定应用的空间和光谱采样。

第一作者Ye Wang今年在Rice获得了博士学位，她的同事们辛辛苦苦地制作了原型，手工组装和定位纤维束。他们利用赖斯及其周围的场景对其进行测试，重建建筑物的图像以微调TuLIPSS并拍摄校园树木的光谱图像以“检测”他们的物种。他们还仅利用光谱数据成功分析了各种植物的健康状况。

在休斯顿连续捕捉移动交通的图像显示系统能够查看哪些光谱随时间变化(例如移动车辆和改变交通信号灯)以及哪些是稳定的(其他一切)。该实验是一个有用的概念验证，以显示光谱仪在动态情况下如何过滤运动模糊。

共同作者，物理学和天文学教授兼稻米空间研究所所长大卫亚历山大 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在城市航空研究中测试TuLIPSS的问题。

“因为无论如何我们都需要测试TuLIPSS，我们想做一些有用的事情，”他说，建议城市的高光谱地图可以揭示城市景观如何变化，区分建筑物与公园或地图花粉来源。“原则上，定期飞越城市将使我们能够绘制出不断变化的条件并确定需要关注的区域。”

Tkaczyk建议未来版本的TuLIPSS将用于农业和大气分析，藻类繁殖和其他快速数据采集有价值的环境条件。

亚历山大说：“真正的挑战是决定首先关注什么。” “最终，我们希望获得足够的成功，以便下一阶段的发展使我们更接近在太空中飞行TuLIPSS。”