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    La cámara hiperespectral captura una gran cantidad de datos en un instante

    Los haces de fibras ópticas en el espectrómetro TuLIPSS de Rice University entregan datos espaciales y espectrales a un detector en un instante. Luego, esos datos se pueden procesar para un análisis ambiental o biológico rápido. Crédito:Laboratorio de Instrumentación Óptica Moderna y Bioimagen / Rice University

    Las instantáneas estándar del espacio no muestran la Tierra en todo su esplendor. Hay mucho más que ver.

    Para revelar detalles imposibles de observar a simple vista, Los ingenieros de la Universidad de Rice están construyendo un espectrómetro portátil que se puede montar en un pequeño satélite, Volado en un avión o un dron o algún día incluso sostenido en la mano.

    El bioingeniero Tomasz Tkaczyk y sus colegas de la Escuela de Ingeniería Brown de Rice y la Escuela de Ciencias Naturales de Wiess han publicado los primeros resultados de un proyecto financiado por la NASA para desarrollar una pequeña, espectrómetro sofisticado con una versatilidad inusual. Su papel aparece en Óptica Express .

    Un espectrómetro es un instrumento que recoge la luz de un objeto o una escena, separa los colores y los cuantifica para determinar el contenido químico u otras características de lo que ve.

    El dispositivo Rice, llamado espectrómetro de instantáneas de procesamiento de imágenes con guía de luz sintonizable (TuLIPSS), permitirá a los investigadores capturar datos instantáneamente en el espectro visible e infrarrojo cercano, a diferencia de los sistemas actuales que escanean una escena línea por línea y para su posterior reensamblaje.

    Cada píxel de las imágenes hiperespectrales producidas por TuLIPSS contiene información espectral o espacial. Los "píxeles" en este caso son miles de fibras ópticas, guías de luz flexibles que entregan los componentes de la imagen a un detector. Porque pueden reposicionar las fibras, los investigadores pueden personalizar el equilibrio de la imagen y los datos espectrales enviados al detector.

    El dispositivo, por ejemplo, se puede ajustar para medir la química de un árbol para ver si está sano o enfermo. Puede hacer lo mismo con una celda, una sola hoja, un barrio o una granja, o un planeta. En modo de captura continua, similar al motor de una cámara, puede mostrar cómo las "huellas digitales" espectrales en una escena estacionaria cambian con el tiempo, o tomar la firma espectral de un rayo en tiempo real.

    Tkaczyk dijo que TuLIPSS es único porque funciona como cualquier cámara, capturar todos los datos hiperespectrales, a lo que los investigadores se refieren como un cubo de datos, en un instante. Eso significa que un avión o satélite en órbita puede tomar una imagen del suelo lo suficientemente rápido para evitar el desenfoque de movimiento que distorsionaría los datos. El procesamiento a bordo filtrará los datos y enviará solo lo necesario a la Tierra, ahorrando tiempo y energía.

    "Esta sería una herramienta interesante en el caso de un evento como el huracán Harvey, ", Dijo Tkaczyk." Cuando hay una inundación y una posible contaminación, un dispositivo capaz de volar sobre un depósito podría indicar si esa agua es segura para que la gente la beba. Sería más efectivo que enviar a alguien a un sitio que puede ser difícil de alcanzar ".

    Una escena del campus de la Universidad de Rice capturada con el espectrómetro TuLIPSS proporciona firmas espectrales que se pueden filtrar para muchos propósitos. El sistema permite recopilar datos en un instante para análisis ambientales o biológicos. Crédito:Laboratorio de Instrumentación Óptica Moderna y Bioimagen / Rice University

    En una cámara normal, una lente enfoca la luz entrante en un chip sensor y convierte los datos en una imagen. En TuLIPSS, la lente enfoca esa luz en un intermediario:el haz de fibras ópticas.

    En el prototipo actual, estas fibras recogen más de 30, 000 muestras espaciales y 61 canales espectrales en el rango de 450 a 750 nanómetros, esencialmente, cientos de miles de puntos de datos, divididos por prismas en sus bandas componentes y pasados ​​a un detector. Luego, el detector envía estos puntos de datos a un software que los recombina en las imágenes o espectros deseados.

    La matriz de fibra está empaquetada en la entrada y reorganizada en filas direccionables individualmente en la salida. con espacios entre ellos para evitar superposiciones. Espaciar las filas permite a los investigadores ajustar el muestreo espacial y espectral para aplicaciones específicas, Dijo Tkaczyk.

    Primer autor Ye Wang, quien obtuvo su doctorado este año en Rice, y sus colegas construyeron minuciosamente el prototipo, ensamblar y colocar los haces de fibras a mano. Usaron escenas en Rice y sus alrededores para probarlo, reconstruir imágenes de edificios para afinar TuLIPSS y tomar imágenes espectrales de los árboles del campus para "detectar" sus especies. También analizaron con éxito la salud de varias plantas solo con datos espectrales.

    Las imágenes de captura continua del tráfico en movimiento en Houston mostraron la capacidad del sistema para ver qué espectros están cambiando con el tiempo (como vehículos en movimiento y semáforos cambiantes) y cuáles son estables (todo lo demás). El experimento fue una prueba de concepto útil para mostrar qué tan bien el espectrómetro podía filtrar el desenfoque de movimiento en situaciones dinámicas.

    Coautor David Alexander, profesor de física y astronomía y director del Rice Space Institute, dijo que los investigadores han comenzado conversaciones con la ciudad de Houston y el Instituto Kinder de Investigación Urbana de Rice sobre la prueba de TuLIPSS en estudios aéreos de la ciudad.

    "Como necesitamos probar TuLIPSS de todos modos, queremos hacer algo útil, " él dijo, Sugerir un mapa hiperespectral de la ciudad podría revelar cómo está cambiando el paisaje urbano, distinguir los edificios de los parques o cartografiar las fuentes de polen. "En principio, Los vuelos regulares sobre la ciudad nos permitirán trazar un mapa de las condiciones cambiantes e identificar las áreas que necesitan atención ".

    Tkaczyk sugirió que las futuras versiones de TuLIPSS serán útiles para el análisis agrícola y atmosférico, floraciones de algas y otras condiciones ambientales en las que la rápida adquisición de datos será valiosa.

    "El verdadero desafío ha sido decidir en qué centrarse primero, ", Dijo Alexander." En última instancia, queremos tener el éxito suficiente para que la siguiente fase de desarrollo nos acerque a volar TuLIPSS en el espacio ".

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