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    La fotocamera iperspettrale acquisisce una grande quantità di dati in un istante

    Fasci di fibre ottiche nello spettrometro TuLIPSS della Rice University forniscono dati spaziali e spettrali a un rivelatore in un istante. Tali dati possono quindi essere elaborati per una rapida analisi ambientale o biologica. Credito:Strumentazione ottica moderna e laboratorio di bio-immagini/Rice University

    Le istantanee standard dallo spazio non mostrano esattamente la Terra in tutta la sua gloria. C'è molto altro da vedere.

    Per rivelare dettagli impossibili da osservare ad occhio nudo, Gli ingegneri della Rice University stanno costruendo uno spettrometro portatile che può essere montato su un piccolo satellite, volato su un aereo o un drone o un giorno anche tenuto in mano.

    Il bioingegnere Tomasz Tkaczyk e i suoi colleghi della Rice's Brown School of Engineering e Wiess School of Natural Sciences hanno pubblicato i primi risultati di un progetto finanziato dalla NASA per sviluppare un piccolo, spettrometro sofisticato con versatilità insolita. La loro carta appare in Ottica Express .

    Uno spettrometro è uno strumento che raccoglie la luce da un oggetto o da una scena, separa i colori e li quantifica per determinare il contenuto chimico o altre caratteristiche di ciò che vede.

    Il dispositivo di riso, chiamato Tunable Light-Guide Image Processing Snapshot Spectrometer (TuLIPSS), consentirà ai ricercatori di acquisire istantaneamente dati attraverso lo spettro visibile e vicino all'infrarosso, a differenza dei sistemi attuali che scansionano una scena riga per riga e per un successivo riassemblaggio.

    Ogni pixel nelle immagini iperspettrali prodotte da TuLIPSS contiene informazioni spettrali o spaziali. I "pixel" in questo caso sono migliaia di fibre ottiche, guide luminose flessibili che inviano i componenti dell'immagine a un rilevatore. Perché possono riposizionare le fibre, i ricercatori possono personalizzare il bilanciamento dell'immagine e dei dati spettrali inviati al rivelatore.

    Il dispositivo, Per esempio, può essere sintonizzato per misurare la chimica di un albero per vedere se è sano o malato. Può fare lo stesso per una cella, una sola foglia, un quartiere o una fattoria, o un pianeta. In modalità di acquisizione continua, simile al motore di una fotocamera, può mostrare come le "impronte digitali" spettrali in una scena stazionaria cambiano nel tempo, o acquisisci la firma spettrale di un fulmine in tempo reale.

    Tkaczyk ha affermato che TuLIPSS è unico perché funziona come qualsiasi fotocamera, catturare tutti i dati iperspettrali, ciò che i ricercatori chiamano un cubo di dati, in un istante. Ciò significa che un aereo o un satellite in orbita può scattare un'immagine del terreno abbastanza rapidamente da evitare sfocature da movimento che distorcerebbero i dati. L'elaborazione a bordo filtrerà i dati e invierà solo ciò che è necessario sulla Terra, risparmiando tempo ed energia.

    "Questo sarebbe uno strumento interessante nel caso di un evento come l'uragano Harvey, " ha detto Tkaczyk. "Quando c'è un'alluvione e una potenziale contaminazione, un dispositivo in grado di sorvolare un serbatoio potrebbe dire se quell'acqua è sicura da bere per le persone. Sarebbe più efficace che mandare qualcuno su un sito che potrebbe essere difficile da raggiungere".

    Una scena del campus della Rice University catturata con lo spettrometro TuLIPSS fornisce firme spettrali che possono essere filtrate per molti scopi. Il sistema permette di raccogliere dati in un istante per analisi ambientali o biologiche. Credito:Strumentazione ottica moderna e laboratorio di bio-immagini/Rice University

    In una normale fotocamera, una lente focalizza la luce in ingresso su un chip del sensore e converte i dati in un'immagine. In Tulips, l'obiettivo focalizza quella luce su un intermediario:il fascio di fibre ottiche.

    Nel prototipo attuale, queste fibre raccolgono più di 30, 000 campioni spaziali e 61 canali spettrali nell'intervallo da 450 a 750 nanometri, essenzialmente, centinaia di migliaia di punti dati, divisi da prismi nelle loro bande componenti e passati a un rilevatore. Il rilevatore invia quindi questi punti dati al software che li ricombina nelle immagini o negli spettri desiderati.

    L'array in fibra è strettamente imballato all'ingresso e riorganizzato in righe indirizzabili individualmente all'uscita, con spazi tra loro per evitare sovrapposizioni. La spaziatura delle righe consente ai ricercatori di ottimizzare il campionamento spaziale e spettrale per applicazioni specifiche, ha detto Tkaczyk.

    Primo autore Ye Wang, che ha conseguito il dottorato quest'anno alla Rice, e i suoi colleghi hanno costruito meticolosamente il prototipo, assemblaggio e posizionamento manuale dei fasci di fibre. Hanno usato scene dentro e intorno a Rice per testarlo, ricostruire immagini di edifici per mettere a punto TuLIPSS e scattare immagini spettrali degli alberi del campus per "rilevare" la loro specie. Hanno anche analizzato con successo la salute di varie piante con i soli dati spettrali.

    Le immagini di acquisizione continua del traffico in movimento a Houston hanno mostrato la capacità del sistema di vedere quali spettri si stanno spostando nel tempo (come veicoli in movimento e semafori che cambiano) e quali sono stabili (tutto il resto). L'esperimento è stato un utile proof-of-concept per mostrare quanto bene lo spettrometro potesse filtrare il motion blur in situazioni dinamiche.

    Co-autore David Alexander, professore di fisica e astronomia e direttore del Rice Space Institute, ha detto che i ricercatori hanno avviato discussioni con la città di Houston e il Kinder Institute for Urban Research di Rice per testare TuLIPSS negli studi aerei della città.

    "Dato che dobbiamo comunque testare TuLIPSS, vogliamo fare qualcosa di utile, " Egli ha detto, suggerire una mappa iperspettrale della città potrebbe rivelare come sta cambiando il paesaggio urbano, distinguere gli edifici dai parchi o mappare le fonti di polline. "In linea di principio, voli regolari sulla città ci consentiranno di mappare le mutevoli condizioni e identificare le aree che richiedono attenzione".

    Tkaczyk ha suggerito che le versioni future di TuLIPSS saranno utili per l'analisi agricola e atmosferica, fioriture di alghe e altre condizioni ambientali in cui l'acquisizione rapida dei dati sarà preziosa.

    "La vera sfida è stata decidere su cosa concentrarsi prima, " ha detto Alexander. "In definitiva, vogliamo avere abbastanza successo che la prossima fase di sviluppo ci avvicini al volo dei TuLIPSS nello spazio".

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