16 Мая 2018

Спектроскопия

Опубликовал Н.А. Рыков

     Спектроскопия изображений - получение спектров для каждой точки изображения - это мощный аналитический метод, который позволяет осуществлять удаленное обнаружение, идентификацию, измерение и мониторинг материалов для научных исследований и исследований приложений.  От картирования видов растительности на Земле до изучения состава межгалактической среды спектрометры могут быть использованы для выявления физических, химических и биологических свойств и процессов.

     С момента своего создания в конце 20 века технология спектрометра продвинулась к тому, где мы теперь можем использовать передовую спектроскопию для понимания миров от микронного масштаба до экзопланетных расстояний.  Спектроскопия обеспечивает доступ к информации о молекулах, атмосферных условиях и составе, и она используется на Земле и во всей Солнечной системе для проведения новых научных исследований.  В будущем спектроскопия экзопланет может стать первым свидетельством жизни за пределами Земли.  Для получения информации о ценности из дистанционно измеренных спектров необходимы высокоточные спектрометры с усовершенствованными детекторами, оптическими проектами и вычислительными системами.  Текущие исследования сосредоточены на нескольких ключевых темах:

  • Универсальность: увеличение спектрального диапазона и ширины полосы позволило бы будущим спектрометрам ежедневно измерять глобальное распределение атмосферных газов. Эти универсальные инструменты также помогут удовлетворить массовые и энергетические ограничения будущих миссий без ущерба для производительности. 
  • Оптическая конструкция: улучшенные дифракционные решетки для эффективности настройки и снижения чувствительности к рассеиванию и поляризации приведут к более качественным спектральным измерениям.
  • Алгоритмы реального времени: например, на экране бортового облачного экрана с незначительными ложными тревогами будут снижены затраты на буферизацию, передачу, анализ и сокращение, исключая неиспользуемые данные.

     В последние годы Калифорнийский Технологический Институт разработал, испытал и поставил спектрометры для съемки на воздухе и космического класса.  Спектрометр лунной минералогии обнаружил признаки низких концентраций воды на освещенной поверхности Луны и был успешным, позволяя ученым извлекать минералогические свойства из своих спектральных измерений.  Это и целый ряд потенциальных будущих миссий для исследований в области науки и прикладных наук побудили нас к миниатюризации такой системы для использования на месте в других органах солнечной системы в будущем.

Исследовательские проекты

Инфракрасный коротковолновый спектрометр Europa

     Исследования для коротковолнового инфракрасного спектрометра Europa (ESWIRS) сосредоточены на выявлении возможностей спектроскопии и визуализации, необходимых для композиционных измерений и картографических вкладов в исследования геологии в Европе.  В дополнение к разработке и тестированию ключевого элемента подсистемы зеркального сканирования ESWIRS, задача учёных - понимание влияния излучения на спектры ESWIRS с помощью теста и анализа.  Нынешние усилия включают разработку и демонстрацию снижения радиации данных на приборе.

Картирование спектроскопии изображений для Europa

     В мае 2015 года для миссии НАСА в Европу был отобран спектрограф для картирования изображений для Европы (MISE).  Инструмент MISE будет измерять спектры от 0,8 до 5 мкм с спектральным отбором 10 нм и пространственной выборкой в ​​геологических шкалах (25 м / пиксель на 100 км), чтобы выявить геохимический гобелен Европы.  Двумя основными задачами науки MISE являются: (1) оценка обитаемости океана Европы путем понимания инвентаря и распределения поверхностных соединений и (2) исследование геологической истории поверхности Европы и поиск областей, которые в настоящее время активны.  Спектрометр прототипа с ползунковой щелью, решеткой, сортировочным фильтром порядка и матрицей фокальной плоскости успешно завершил планетарную защиту для совместимости с микробами на теплой и сухой поверхности.  Прототип MISE был протестирован на трех линиях луча излучения и данных, используемых для калибровки и проверки моделей переноса излучения, а также для разработки алгоритмов подавления радиационного шума.

Гиперспектральный инфракрасный тепловизор

     Гиперспектральный инфракрасный тепловизор (HyspIRI) является видимым для коротковолнового инфракрасного (VSWIR) спектрометра с более чем 1000 поперечными элементами, превосходной разрешающей способностью, низкой чувствительностью к поляризации и низким рассеянным светом.  Бортовая кампания начала собирать спектральные измерения весной 2013 года для научных исследований, связанных с составом, функцией, биохимией, сезонностью, структурой и моделью экосистемы;  функциональные типы и местообитания фитопланктона прибрежного океана;  городской почвенный покров, температура и транспирация;  поверхностный энергетический баланс;  атмосферная характеристика и местные источники метана; геология поверхности, ресурсы, почвы и опасности.  Основная цель кампании - продемонстрировать разнообразную науку, которая могла бы быть обеспечена последующей глобальной космической миссией HyspIRI, а также продемонстрировать и уточнить научные алгоритмы и алгоритмы обработки данных, которые будут использоваться.

Ультракомпактный Спектрометр

     Ультракомпактный Спектрометр (UCIS) является первым в своем роде спектрометром для изображений, весом менее 3 кг и потребляющим менее 3 Вт. Система является легкой и достаточно гибкой, чтобы использоваться в условиях массового и силового воздействия.  Будущая работа включает в себя разработку инструмента, который может быть установлен на мачте-ровере для определения минералогии окружающего ландшафта и даже направления ровера для более тщательного изучения научно важных целей.  Этот инструмент имел бы общую массу 1,5 кг (с некоторой дополнительной электроникой, потенциально расположенной на корпусе ровера) и открыл бы новые способы проведения геологических исследований благодаря своей способности собирать широкоугольные панорамы и производить высококачественные,  полнодиапазонные диагностические спектры для каждого пикселя изображения.  Система приобрела бы приблизительно 500 000 спектров за время, которое предыдущие инструменты ровера приобрели бы лишь 1.

Спектрометры следующего поколения

     Спектрометры следующего поколения (NGIS) в настоящее время используются Национальной сетью экологической обсерватории и Институтом Карнеги в Вашингтоне для изучения и сохранения экосистем на больших географических масштабах.  Эти высокоточные, высокопроизводительные спектрофотометры VSWIR и VNIR имеют более чем 95% -ную однородность IFOV с поперечной ориентацией.

Визуальный и инфракрасный спектрофотометр следующего поколения

     Прибор для измерения дальности видимого и инфракрасного изображений нового поколения (AVIRIS-NG) следующего поколения измеряет спектральный диапазон от 380 до 2510 нм при спектральном отборе 5 нм с помощью калиброванного спектра с высоким отношением сигнал-шум, измеренного для каждого пространственного образца  на изображении.  Система была откалибрована и развернута с использованием новой высокоскоростной системы захвата данных и нового алгоритма облачного скрининга в режиме реального времени для поддержки эксперимента по выбросу метана в Департаменте Энергетики Скалистых Гор.  Способность этого прибора обнаруживать и измерять источники точечных метанолов представляет интерес, как для исследования парниковых газов, так и для исследования природных ресурсов, а встроенный алгоритм облачного скрининга применим для спектрометрических изображений космоса.

Портативный дистанционный рентгеновский спектрометр

     Портативный удаленный визуальный спектрометр (PRISM) управляется группой учёных как часть бортовой лаборатории (CORAL), которая ведёт наблюдения с высокой плотностью в десяти регионах коралловых рифов в Индийском, Тихоокеанском и Атлантическом океанах.  Спектральные изображения, полученные прибором PRISM, обрабатываются и анализируются с учетом значений для биогеофизических воздействий (например, температуры поверхности моря и карбонатной химии) для создания набора количественных эмпирических моделей, которые могут быть использованы для оценки текущего состояния глобального рифа и прогнозируемого рифа в условиях  сценария прогнозируемых глобальных изменений.  С помощью PRISM, лаборатория CORAL предлагает самую ясную, самую обширную картину состояния значительной части коралловых рифов в мире из единого набора данных на сегодняшний день.