短波紅外應(yīng)用：通過短波紅外 TuLIPSS 快速成像實時監(jiān)測蒸汽波動

瀏覽次數(shù)：638　發(fā)布日期：2023-3-14　來源：恒光智影

本文要點：研制了一種用于短波紅外監(jiān)測的新型快速成像光譜儀。定制設(shè)計的光纖束重新映射傳入圖像，以在傳感器上創(chuàng)建空隙空間，以便棱鏡分散每個光纖芯。這導(dǎo)致35000個空間樣本，每個空間樣本在1100nm至1300nm的波長范圍內(nèi)為超過20個通道提供光譜采樣。該光譜區(qū)域跨越了陸地覆蓋物反射光譜中1130nm的蒸汽敏感傾角和1260nm的不敏感峰值，允許計算蒸汽指數(shù)和監(jiān)測大氣中蒸汽波動的可能性。實驗室測試證實，由于1130nm處的吸收系數(shù)，靈敏度可達到約42微米的可沉淀水�，F(xiàn)場測試表明，能夠監(jiān)測來自不同土地覆蓋物（如草坪、混凝土表面）的蒸汽的時間和空間波動。蒸汽變化指數(shù)的實時繪圖可以為大氣、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和太陽能研究提供有用的信息。

1.簡介

作為一種可冷凝的溫室氣體，水蒸氣約占地球溫室效應(yīng)的一半，它阻止太陽的熱量從地球大氣中逸出。水蒸氣也是蒸散的關(guān)鍵部分。實時監(jiān)測蒸汽動力學(xué)可以為大氣、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和太陽能研究提供有用的信息。隨著光通量以及空間和光譜采樣的提高[1,2,3]，最近開發(fā)的快照成像光譜儀-可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀（TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀））具有提供水蒸氣實時動態(tài)遙感的潛力。TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）最顯著的優(yōu)點是它可以同時捕獲光譜和空間信息，并允許監(jiān)控快速過程，避免運動偽影。此外，在高光譜數(shù)據(jù)立方體中，光譜采樣率和空間采樣率之間存在折衷。這種折衷使TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）更適應(yīng)不同的應(yīng)用。

氣相中的水分子由于其合理躍遷、振動躍遷和電子躍遷而具有寬的吸收光譜區(qū)域。當(dāng)太陽輻射穿過大氣層時，水蒸氣會吸收不同程度的太陽輻射。在高吸收區(qū)域，太陽輻射在地面將變暗至零（特別是在高濕度條件下），而在弱吸收峰值時，靈敏度將較低。為了從遙感尺度上監(jiān)測水蒸氣波動，選擇了短波紅外區(qū)域（1100nm至1300nm），因為該范圍涵蓋了吸收下降，中值吸收系數(shù)為1130nm，蒸氣不敏感峰值為1260nm。為了保持光譜靈敏度和體面的空間采樣，TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）已定制為35000個空間樣本，每個空間樣本在光譜區(qū)域中具有20+個光譜通道。

本文重點演示TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）監(jiān)測水汽波動的能力。在第2節(jié)中，我們概述了短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）的一般原理和制造，而第3節(jié)描述了短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）對可降水的敏感性。第4節(jié)展示了監(jiān)測水蒸氣波動的能力。我們在第5節(jié)中總結(jié)。

2.系統(tǒng)原理及制造

TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）系統(tǒng)的光學(xué)原理圖如圖1所示。TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）的關(guān)鍵部分是定制的光纖束，它將輸入圖像與密集堆疊的光纖塊分割，并將圖像段引導(dǎo)到輸出端具有空隙空間的分離行。這些空隙空間用于光譜色散。為了滿足應(yīng)用的要求，在制造過程中將該空隙空間設(shè)置為250μm距離。光掩模與光纖束輸出端的表面相連（由于制造中使用的光纖帶具有6x6塊的特性）。使用數(shù)值孔徑為0.25的定制中繼透鏡來有效收集光纖的輸出光（光纖NA為0.28）并最大化吞吐量。光譜色散由BK7棱鏡引起。這種頂角為38°的棱鏡分散了短波紅外光譜。光纖束的分散分布在短波紅外相機（PIRT，SCIcam）上形成圖像。通過將入射角控制在30°來補償棱鏡的變形放大率。1100nm長通濾波器和1300nm短通濾波器插入棱鏡前面的準直空間中。注意，棱鏡和濾光器組可以容易地改變以適應(yīng)特定的成像條件或應(yīng)用要求。最終數(shù)據(jù)立方體具有35000個空間采樣和23個光譜采樣。圖1B顯示了TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）內(nèi)部的相應(yīng)光學(xué)組件。圖1C顯示了三維建模的短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）。

Figure 1. A：短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）的光學(xué)原理圖。對應(yīng)數(shù)字的單位為mm。B：TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）內(nèi)部的光學(xué)組件。C：三維建模短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）。

在校準過程中生成了從傳感器原始圖像到3D高光譜圖像立方體的查找表[1，4]。實現(xiàn)了一種相移算法來確定空間查找表坐標。在光譜校準過程中，使用多個窄帶濾波器來確定這些波長在相機傳感器表面上的光譜位置，而其他波長的光譜位置則基于色散曲線的形狀進行插值。最終，從原始圖像重建3D數(shù)據(jù)立方體。由于3D數(shù)據(jù)立方體是通過相機像素的簡單重組來執(zhí)行的，因此不需要廣泛的重建。在我們之前的工作[1,3]中描述了系統(tǒng)原理和處理成像結(jié)果的更多細節(jié)。

3.短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）的水蒸氣敏感性

為了監(jiān)測蒸汽波動，儀器對水蒸汽的靈敏度是關(guān)鍵參數(shù)。在實驗室內(nèi)，我們使用水楔來模擬大氣中的蒸汽吸收。圖2A顯示了測量的示意配置。鹵素?zé)舻妮椛湟褟钠聊环瓷洳⑼干渌�。短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）記錄了水楔的高光譜圖像。由于1200nm處的水的消光系數(shù)接近1130nm處的可降水的消光系數(shù)，如圖2B所示。這里，我們使用水在1200nm的透射來模擬1130nm的蒸汽透射。

Figure 2. 短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）靈敏度測量。A：測量示意圖：水和可降水的消光系數(shù)；C：水楔的水指數(shù)圖；D：水敏度作為傳動比的不確定度。

圖2C顯示了水楔的傳動比映射。選擇紅色區(qū)域以計算不吸水的透射比的空間標準差。中心區(qū)域是水楔的水透射比圖。該區(qū)域顯示了如假彩色所示的透射比的空間變化。在水楔的頂部區(qū)域，藍色表示透射比小于1，對應(yīng)于通過相對較濃的水的吸水率。在水楔的底部區(qū)域，黃色表示透射比大于1。這是由于楔形物中存在的薄水膜降低了楔形物室的內(nèi)表面反射。圖2D顯示了取決于水楔厚度的傳動比變化。水楔區(qū)透射比的不確定度約為120μm，而紅色區(qū)域透射比的標準偏差約為42μm。紅色區(qū)域的透射率分布如圖2E所示。因此，我們估計TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）的蒸汽敏感性為42μm可感知水。

4.現(xiàn)場應(yīng)用程序

太陽輻射是通過短波紅外TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）監(jiān)測蒸汽波動的光源。為了消除云層對地面太陽輻射的影響，實驗在無云的天空下進行。通過預(yù)先確定的查找表構(gòu)建具有23個光譜通道的高光譜圖像立方體。這23個光譜通道包含從1100nm到1300nm的光譜信息。圖3A是波長為1260nm的重建圖像的示例�；叶鹊膹姸缺硎静煌矬w的反射程度。與1260 nm光譜通道的圖像相比，圖3B顯示了使用數(shù)字RGB相機獲得的同一場景的可見光范圍圖像。由于1260nm處的峰對蒸氣吸收不敏感。它可以作為標準化吸水傾角（1130nm）圖像的參考。

Figure 3. 短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）用于監(jiān)測蒸汽波動的現(xiàn)場應(yīng)用。A：1260nm重建圖像；B：目標場景的可見參考圖像；C：來自A中點的蒸汽變化指數(shù)（VVI）的時間軌跡；D：短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）數(shù)據(jù)采集期間的溫度和濕度計結(jié)果。

相機中每個像素的強度與不同的空間和光譜響應(yīng)有關(guān)�？梢杂玫仁�1來描述。這里，λ是太陽輻照度；Rλ是土地覆蓋的局部反射率；ε是摩爾衰減系數(shù)；c是水蒸氣濃度；L為厚度；是波長λ下的儀器響應(yīng)系數(shù)；是波長λ處的像素響應(yīng)。為了去除未知參數(shù)（如局部反射率Rλ），我們將蒸汽變化指數(shù)（VVI）定義為光譜強度比與時間0的值之比，如等式2所示。將方程1的量代入方程2，則蒸汽變化指數(shù)可以簡化為與蒸汽濃度變化的線性關(guān)系。該定義不僅去除了未知參數(shù)，還去除了太陽輻照度的波動。蒸汽波動是蒸汽變化指數(shù)的線性函數(shù)。該蒸汽變化指數(shù)表示蒸汽濃度的波動。

圖3C顯示了來自圖3A中所選點的蒸汽變化指數(shù)的時間軌跡。圖3D顯示了TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）數(shù)據(jù)采集期間獲得的溫度和濕度計的結(jié)果。紅色曲線表示溫度，藍色曲線表示局部蒸汽壓，根據(jù)溫度和相對濕度計算。由于這些結(jié)果是從草坪表面上方約1米的單個點獲得的，因此蒸汽壓力的時間軌跡與蒸汽變化指數(shù)的軌跡高度相似，如圖3C所示。這證實了短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）監(jiān)測蒸汽波動的有效性。

為了觀察整個視野中的水汽波動，我們繪制了不同時間的空間水汽變化指數(shù)。圖4顯示了空間蒸汽變化指數(shù)的時間變化。由于與時間的比率為0。在時間0，所有的視野都統(tǒng)一為1。隨著時間的推移，隨著時間的流逝，空間差異不斷累積，并在圖像中可見。圖4B、4C、4D中的紅色方框與圖3A所示的草坪區(qū)域相對應(yīng)，而圖4B、4B、4D中黑色方框與圖3B所示的混凝土表面區(qū)域相對應(yīng)。在圖4B和圖4D中，與混凝土表面相比，草坪表面的指數(shù)較低。這表明草坪表面比混凝土表面積累了更多的水分。這與草坪上方比混凝土表面更高的濕度相一致。不同土地覆蓋的圖像對比可以用于植物的蒸騰作用。

Figure 4. 數(shù)據(jù)采集期間目標場景隨時間變化的蒸汽變化指數(shù)映射

5.結(jié)論

在這里，我們首次展示了短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）成像光譜儀。該系統(tǒng)具有高光通量的特點，可提供35000個空間樣本，其中包含20+光譜值的高光譜圖像立方體。該系統(tǒng)允許適應(yīng)不同應(yīng)用的空間和光譜采樣。使用短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）獲得的結(jié)果表明，該系統(tǒng)在遙感方法中監(jiān)測蒸汽波動方面具有潛力。使用1100-1300nm光譜范圍，可以在1130nm處獲得蒸汽敏感的下降，在1260nm處獲取蒸汽不敏感的峰值。獲得的結(jié)果允許估計45μm可降水的敏感性。當(dāng)前的短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）可用于監(jiān)測約50-100米尺度的蒸汽波動。不同物體/覆蓋物形成的水指數(shù)的空間差異表明，有能力監(jiān)測與大氣、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和太陽能研究有關(guān)的蒸汽信息。

參考文獻

Zheng, D.; Flynn, C.; Stoian, R. I.; Lu, J.; Kindel, B. C.; Gutmann, E.; Alexander, D.; Tkaczyk, T. S.; Strojnik, M., Real time monitoring of vapor fluctuations through snapshot imaging by short wave IR TuLIPSS. In Infrared Remote Sensing and Instrumentation XXX, 2022.

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