短波紅外應(yīng)用：通過(guò)短波紅外 TuLIPSS 快速成像實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒸汽波動(dòng)

本文要點(diǎn)：研制了一種用于短波紅外監(jiān)測(cè)的新型快速成像光譜儀。定制設(shè)計(jì)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(gè)光纖芯。這導(dǎo)致35000個(gè)空間樣本，每個(gè)空間樣本在1100nm至1300nm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)為超過(guò)20個(gè)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(jì)算蒸汽指數(shù)和監(jiān)測(cè)大氣中蒸汽波動(dòng)的可能性。實(shí)驗(yàn)室測(cè)試證實(shí)，由于1130nm處的吸收系數(shù)，靈敏度可達(dá)到約42微米的可沉淀水。現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試表明，能夠監(jiān)測(cè)來(lái)自不同土地覆蓋物（如草坪、混凝土表面）的蒸汽的時(shí)間和空間波動(dòng)。蒸汽變化指數(shù)的實(shí)時(shí)繪圖可以為大氣、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和太陽(yáng)能研究提供有用的信息。

 

---

1.簡(jiǎn)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(yáng)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蒸汽動(dòng)力學(xué)可以為大氣、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和太陽(yáng)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(kāi)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(shí)時(shí)動(dòng)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(diǎn)是它可以同時(shí)捕獲光譜和空間信息，并允許監(jiān)控快速過(guò)程，避免運(yùn)動(dòng)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(dòng)躍遷和電子躍遷而具有寬的吸收光譜區(qū)域。當(dāng)太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)，水蒸氣會(huì)吸收不同程度的太陽(yáng)輻射。在高吸收區(qū)域，太陽(yáng)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(shí)，靈敏度將較低。為了從遙感尺度上監(jiān)測(cè)水蒸氣波動(dòng)，選擇了短波紅外區(qū)域（1100nm至1300nm），因?yàn)樵摲秶�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(gè)空間樣本，每個(gè)空間樣本在光譜區(qū)域中具有20+個(gè)光譜通道。

 

本文重點(diǎn)演示TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）監(jiān)測(cè)水汽波動(dòng)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(duì)可降水的敏感性。第4節(jié)展示了監(jiān)測(cè)水蒸氣波動(dòng)的能力。我們?cè)诘?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(mǎn)足應(yīng)用的要求，在制造過(guò)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(lái)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(jī)（PIRT，SCIcam）上形成圖像。通過(guò)將入射角控制在30°來(lái)補(bǔ)償棱鏡的變形放大率。1100nm長(zhǎng)通濾波器和1300nm短通濾波器插入棱鏡前面的準(zhǔn)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(gè)空間采樣和23個(gè)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(duì)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(zhǔn)過(guò)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(shí)現(xiàn)了一種相移算法來(lái)確定空間查找表坐標(biāo)。在光譜校準(zhǔn)過(guò)程中，使用多個(gè)窄帶濾波器來(lái)確定這些波長(zhǎng)在相機(jī)傳感器表面上的光譜位置，而其他波長(zhǎng)的光譜位置則基于色散曲線的形狀進(jìn)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(guò)相機(jī)像素的簡(jiǎn)單重組來(lái)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(xì)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(cè)蒸汽波動(dòng)，儀器對(duì)水蒸汽的靈敏度是關(guān)鍵參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，我們使用水楔來(lái)模擬大氣中的蒸汽吸收。圖2A顯示了測(cè)量的示意配置。鹵素?zé)舻妮椛湟褟钠聊环瓷洳⑼干渌�楔。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(lái)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(cè)量。A：測(cè)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(dòng)比的不確定度。

 

圖2C顯示了水楔的傳動(dòng)比映射。選擇紅色區(qū)域以計(jì)算不吸水的透射比的空間標(biāo)準(zhǔn)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(lán)色表示透射比小于1，對(duì)應(yīng)于通過(guò)相對(duì)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(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(jì)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(chǎng)應(yīng)用程序

太陽(yáng)輻射是通過(guò)短波紅外TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）監(jiān)測(cè)蒸汽波動(dòng)的光源。為了消除云層對(duì)地面太陽(yáng)輻射的影響，實(shí)驗(yàn)在無(wú)云的天空下進(jìn)行。通過(guò)預(yù)先確定的查找表構(gòu)建具有23個(gè)光譜通道的高光譜圖像立方體。這23個(gè)光譜通道包含從1100nm到1300nm的光譜信息。圖3A是波長(zhǎng)為1260nm的重建圖像的示例�；叶鹊膹�(qiáng)度表示不同物體的反射程度。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(jī)獲得的同一場(chǎng)景的可見(jiàn)光范圍圖像。由于1260nm處的峰對(duì)蒸氣吸收不敏感。它可以作為標(biāo)準(zhǔn)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(cè)蒸汽波動(dòng)的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。A：1260nm重建圖像；B：目標(biāo)場(chǎng)景的可見(jiàn)參考圖像；C：來(lái)自A中點(diǎn)的蒸汽變化指數(shù)（VVI）的時(shí)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(jì)結(jié)果。

 

相機(jī)中每個(gè)像素的強(qiáng)度與不同的空間和光譜響應(yīng)有關(guān)�？梢杂玫仁�1來(lái)描述。這里，λ是太陽(yáng)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(zhǎng)λ下的儀器響應(yīng)系數(shù)；是波長(zhǎng)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(qiáng)度比與時(shí)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(jiǎn)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(yáng)輻照度的波動(dòng)。蒸汽波動(dòng)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(dòng)。

 

 

圖3C顯示了來(lái)自圖3A中所選點(diǎn)的蒸汽變化指數(shù)的時(shí)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(jì)的結(jié)果。紅色曲線表示溫度，藍(lán)色曲線表示局部蒸汽壓，根據(jù)溫度和相對(duì)濕度計(jì)算。由于這些結(jié)果是從草坪表面上方約1米的單個(gè)點(diǎn)獲得的，因此蒸汽壓力的時(shí)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(shí)了短波紅外 TuLIPSS（可調(diào)光導(dǎo)圖像處理快照光譜儀）監(jiān)測(cè)蒸汽波動(dòng)的有效性。

 

為了觀察整個(gè)視野中的水汽波動(dòng)，我們繪制了不同時(shí)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(shí)間變化。由于與時(shí)間的比率為0。在時(shí)間0，所有的視野都統(tǒng)一為1。隨著時(shí)間的推移，隨著時(shí)間的流逝，空間差異不斷累積，并在圖像中可見(jiàn)。圖4B、4C、4D中的紅色方框與圖3A所示的草坪區(qū)域相對(duì)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(duì)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(duì)比可以用于植物的蒸騰作用。

Figure 4. 數(shù)據(jù)采集期間目標(biāo)場(chǎng)景隨時(shí)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(diǎn)，可提供35000個(gè)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(cè)蒸汽波動(dòng)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(jì)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(cè)約50-100米尺度的蒸汽波動(dòng)。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(cè)與大氣、環(huán)境、農(nóng)業(yè)和太陽(yáng)能研究有關(guān)的蒸汽信息。

 

參考文獻(xiàn)

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.

 

⭐️ ⭐️ ⭐️

 

近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng) - MARS 

NIR-II in vivo imaging system

高靈敏度 - 采用Princeton Instruments深制冷相機(jī)，活體穿透深度高于15mm

高分辨率 - 定制高分辨大光圈紅外鏡頭，空間分辨率優(yōu)于3um

熒光壽命 - 分辨率優(yōu)于 5us

高速采集 - 速度優(yōu)于1000fps （幀每秒）

多模態(tài)系統(tǒng) - 可擴(kuò)展X射線輻照、熒光壽命、一區(qū)熒光成像、原位成像光譜，CT等

顯微鏡 - 近紅外二區(qū)高分辨顯微系統(tǒng)，兼容成像型光譜儀

 

⭐️ ⭐️ ⭐️

 

 恒光智影

          上海恒光智影醫(yī)療科技有限公司，被評(píng)為“國(guó)家高新技術(shù)企業(yè)”，上海市"科技創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃"科學(xué)儀器領(lǐng)域立項(xiàng)單位。

          恒光智影，專(zhuān)注于近紅外二區(qū)成像技術(shù)。致力于為生物醫(yī)學(xué)、臨床前和臨床應(yīng)用等相關(guān)領(lǐng)域的研究提供先進(jìn)的、一體化的成像解決方案。自主研發(fā)近紅外二區(qū)小動(dòng)物活體熒光成像系統(tǒng)-MARS。

          與基于可見(jiàn)光波長(zhǎng)的傳統(tǒng)成像技術(shù)相比，我們的技術(shù)側(cè)重于X射線、紫外、紅外、短波紅外、太赫茲范圍，可為腫瘤學(xué)、神經(jīng)學(xué)、心血管、藥代動(dòng)力學(xué)等一系列學(xué)科的科研人員提供清晰的成像效果，助力科技研發(fā)。

          同時(shí)，恒光智影還具備探針研發(fā)能力，我們已經(jīng)成功研發(fā)了超過(guò)15種探針，這些探針將廣泛地應(yīng)用于眾多生物科技前沿領(lǐng)域的相關(guān)研究中。