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在萊斯大學(xué)TuLIPSS光譜儀中，一束束的光纖瞬間將空間和光譜數(shù)據(jù)傳送到探測器上。然后，這些數(shù)據(jù)可以被處理為快速的環(huán)境或生物分析。從太空拍攝的標(biāo)準(zhǔn)快照并不能完全展現(xiàn)地球的壯美，有這么多東西要看。為了揭示肉眼無法觀察到的細(xì)節(jié)，萊斯大學(xué)工程師們正在研制一種便攜式光譜儀，這種光譜儀可以安裝在一顆小衛(wèi)星上，可以用飛機(jī)或無人機(jī)飛行，甚至有一天可以拿在手里。 萊斯大學(xué)布朗工程學(xué)院和威斯自然科學(xué)學(xué)院的生物工程師托馬茲·特卡奇克和同事發(fā)表了美國國家航空航天局資助項(xiàng)目的第一個(gè)結(jié)果。該項(xiàng)目旨在開發(fā)一種具有不同尋常通用性的小型精密光譜儀，其研究發(fā)表在《光學(xué)快報(bào)》上。分光計(jì)是一種儀器，它從物體或場景中收集光線，分離顏色并對(duì)其進(jìn)行量化，以確定其所見物質(zhì)的化學(xué)成分或其他特征。Rice設(shè)備被稱為可調(diào)諧光波導(dǎo)圖像處理快照光譜儀(TuLIPSS)，它將使研究人員能夠即時(shí)捕獲可見光和近紅外光譜中的數(shù)據(jù)。 而不像目前系統(tǒng)那樣逐行掃描場景，然后再重新組裝。TuLIPSS生成的高光譜圖像中的每個(gè)像素都包含光譜或空間信息。在這種情況下，“像素”是數(shù)千根光纖，它們是一種柔性光波導(dǎo)，將圖像組件傳輸?shù)綑z測器。因?yàn)樗麄兛梢灾匦露ㄎ还饫w，研究人員可以定制發(fā)送到探測器的圖像和光譜數(shù)據(jù)的平衡。例如，這種裝置可以通過調(diào)整來測量樹木的化學(xué)成分，看看它是健康的還是患病的。它可以對(duì)細(xì)胞、一片葉子、一個(gè)社區(qū)、一個(gè)農(nóng)場或一個(gè)星球做同樣的事情。 在連續(xù)捕捉模式下，類似于相機(jī)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，它可以顯示一個(gè)固定場景中光譜“指紋”如何隨時(shí)間變化，或者實(shí)時(shí)捕捉閃電的光譜特征。TuLIPSS是獨(dú)一無二的，因?yàn)樗袢魏蜗鄼C(jī)一樣工作，瞬間捕捉所有高光譜數(shù)據(jù)——研究人員稱之為數(shù)據(jù)立方體。這意味著飛機(jī)或軌道衛(wèi)星可以快速拍攝地面圖像，以避免運(yùn)動(dòng)模糊造成數(shù)據(jù)失真。機(jī)載處理將過濾數(shù)據(jù)，并只發(fā)送回地球所需的，節(jié)省時(shí)間和資源。在颶風(fēng)哈維這樣的事件中，這將是一個(gè)有趣的工具。當(dāng)發(fā)生洪水和潛在的污染時(shí) 一種能夠飛越水庫上空的設(shè)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(gè)可能很難到達(dá)的網(wǎng)站更有效。在普通相機(jī)中，鏡頭將入射光聚焦到傳感器芯片上，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成圖像。在郁金香中，鏡頭將光線聚焦到一個(gè)中間環(huán)節(jié)：一束光纖。在目前的原型中，這些光纖收集了超過30000個(gè)空間樣本和450到750納米范圍內(nèi)的61個(gè)光譜通道(本質(zhì)上是數(shù)十萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn))，通過棱鏡將這些數(shù)據(jù)分割成各自的成分帶，并傳遞給探測器。然后探測器將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)輸入軟件，軟件將這些數(shù)據(jù)點(diǎn)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，并在輸出端重新排列成單獨(dú)可尋址的行，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(yīng)用調(diào)整空間和光譜采樣。第一作者王葉(音譯)今年在萊斯大學(xué)獲得了博士學(xué)位，她和同事們煞費(fèi)苦心地制作了這個(gè)模型，手工組裝和定位纖維束。他們用水稻內(nèi)部和周圍的場景來測試它，重建建筑物的圖像來微調(diào)郁金香，并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(shù)據(jù)分析了各種植物的健康狀況。 休斯頓移動(dòng)交通的連續(xù)捕捉圖像顯示，該系統(tǒng)能夠看到哪些頻譜在隨時(shí)間變化(比如移動(dòng)的車輛和不斷變化的交通燈)，哪些是穩(wěn)定的(其他一切)。該實(shí)驗(yàn)是一個(gè)有用的概念證明，以顯示如何能譜儀過濾運(yùn)動(dòng)模糊在動(dòng)態(tài)情況下。研究報(bào)告的撰寫者之一、萊斯太空研究所所長、物理學(xué)和天文學(xué)教授大衛(wèi)·亞歷山大說：研究人員已經(jīng)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(jī)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，將建筑與公園或花粉來源區(qū)分開來。理論上，在城市上空的定期航班將允許我們繪制出不斷變化的情況，并確定需要關(guān)注的地區(qū)。未來版本將有助于農(nóng)業(yè)和大氣分析，藻類繁殖和其他環(huán)境條件下的快速數(shù)據(jù)采集。真正的挑戰(zhàn)是決定首先關(guān)注什么，最終，想要取得足夠的成功，下一階段的研發(fā)工作將推動(dòng)更接近于在太空中飛行中使用。
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