高光譜相機可以瞬間捕捉到大量數據！

在萊斯大學TuLIPSS光譜儀中，一束束的光纖瞬間將空間和光譜數據傳送到探測器上。然後，這些數據可以被處理為快速的環境或生物分析。從太空拍攝的標準快照並不能完全展現地球的壯美，有這麼多東西要看。為了揭示肉眼無法觀察到的細節，萊斯大學工程師們正在研製一種攜帶型光譜儀，這種光譜儀可以安裝在一顆小衛星上，可以用飛機或無人機飛行，甚至有一天可以拿在手裡。

萊斯大學布朗工程學院和威斯自然科學學院的生物工程師托馬茲·特卡奇克和同事發表了美國國家航空航天局資助項目的第一個結果。該項目旨在開發一種具有不同尋常通用性的小型精密光譜儀，其研究發表在《光學快報》上。分光計是一種儀器，它從物體或場景中收集光線，分離顏色並對其進行量化，以確定其所見物質的化學成分或其他特徵。Rice設備被稱為可調諧光波導圖像處理快照光譜儀(TuLIPSS)，它將使研究人員能夠即時捕獲可見光和近紅外光譜中的數據。

而不像目前系統那樣逐行掃描場景，然後再重新組裝。TuLIPSS生成的高光譜圖像中的每個像素都包含光譜或空間信息。在這種情況下，「像素」是數千根光纖，它們是一種柔性光波導，將圖像組件傳輸到檢測器。因為他們可以重新定位光纖，研究人員可以定製發送到探測器的圖像和光譜數據的平衡。例如，這種裝置可以通過調整來測量樹木的化學成分，看看它是健康的還是患病的。它可以對細胞、一片葉子、一個社區、一個農場或一個星球做同樣的事情。

在連續捕捉模式下，類似於相機的馬達驅動，它可以顯示一個固定場景中光譜「指紋」如何隨時間變化，或者實時捕捉閃電的光譜特徵。TuLIPSS是獨一無二的，因為它像任何相機一樣工作，瞬間捕捉所有高光譜數據——研究人員稱之為數據立方體。這意味著飛機或軌道衛星可以快速拍攝地面圖像，以避免運動模糊造成數據失真。機載處理將過濾數據，並只發送回地球所需的，節省時間和資源。在颶風哈維這樣的事件中，這將是一個有趣的工具。當發生洪水和潛在的污染時

一種能夠飛越水庫上空的設備可以告訴人們水是否可以安全飲用。這將比把人送到一個可能很難到達的網站更有效。在普通相機中，鏡頭將入射光聚焦到感測器晶元上，並將數據轉換成圖像。在鬱金香中，鏡頭將光線聚焦到一個中間環節：一束光纖。在目前的原型中，這些光纖收集了超過30000個空間樣本和450到750納米範圍內的61個光譜通道(本質上是數十萬個數據點)，通過稜鏡將這些數據分割成各自的成分帶，並傳遞給探測器。然後探測器將這些數據點輸入軟體，軟體將這些數據點重新組合成所需的圖像或光譜。

光纖陣列在輸入端被緊密地壓縮，並在輸出端重新排列成單獨可定址的行，它們之間有間隙，以避免重疊。行間距允許研究人員為特定的應用調整空間和光譜採樣。第一作者王葉(音譯)今年在萊斯大學獲得了博士學位，她和同事們煞費苦心地製作了這個模型，手工組裝和定位纖維束。他們用水稻內部和周圍的場景來測試它，重建建築物的圖像來微調鬱金香，並拍攝校園樹木的光譜圖像來「檢測」物種。還成功地利用光譜數據分析了各種植物的健康狀況。

休斯頓移動交通的連續捕捉圖像顯示，該系統能夠看到哪些頻譜在隨時間變化(比如移動的車輛和不斷變化的交通燈)，哪些是穩定的(其他一切)。該實驗是一個有用的概念證明，以顯示如何能譜儀過濾運動模糊在動態情況下。研究報告的撰寫者之一、萊斯太空研究所所長、物理學和天文學教授大衛·亞歷山大說：研究人員已經開始與休斯頓市和萊斯的金德城市研究所討論在該市的航空研究中測試機器的問題。既然我們無論如何都需要測試，想做一些有用的事情。

一張城市的高光譜地圖可以揭示城市景觀的變化，將建築與公園或花粉來源區分開來。理論上，在城市上空的定期航班將允許我們繪製出不斷變化的情況，並確定需要關注的地區。未來版本將有助於農業和大氣分析，藻類繁殖和其他環境條件下的快速數據採集。真正的挑戰是決定首先關注什麼，最終，想要取得足夠的成功，下一階段的研發工作將推動更接近於在太空中飛行中使用。

博科園｜研究/來自：萊斯大學

參考期刊《Optics Express》

DOI: 10.1364/OE.27.015701

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