Využití hyperspektrálních kamer pro snímání v dlouhovlnné infračervené oblasti LWIR

Hyperspektrální snímání má velký význam v biomedicínských, chemických, průmyslových, leteckých a armádních aplikacích. V tomto článku se zaměříme na hyperspektrální snímání v dlouhovlnné infračervené oblasti (LWIR), jeho vývoj a možné využití v pokročilých aplikacích.

Velmi důležitým prvkem, který určuje dosažitelné výsledky tepelné hyperspektrální kamery a její možné použití, je typ detektoru, který použijeme. V tomto článku se zabýváme konkrétním měřením hyperspektrální kamery v dlouhovlnné infračervené oblasti (LWIR, 7 až 14 µm), která využívá chlazený rtuť-kadmium-telurový (MCT) nebo FPA senzor.

V současnosti existuje jen málo přístrojů, které by byly schopny dosahovat kvalitních výsledků a současně byly snadno použitelné. Například v oblasti leteckého snímání v LWIR lze za referenční snímač považovat Sabass instrument společnosti The Aerospace Corporation [1,2] a to i přesto, že je dosti objemný a vyžaduje speciální zacházení i údržbu. Avšak s rostoucím zájmem armádní i komerční sféry o tepelné spektrální snímání roste vývoj nových snímačů. Ty pak využívají jak Fourierovu transformaci, tak tzv. pushbroom spektrometry a jsou aplikovatelné například v zemědělství, laboratorních a leteckých měřeních [3].

Hyperspektrální měření

Cílem hyperspektrálního snímání je získat obraz snímané oblasti tak, aby každý jeho pixel obsahoval celé spektrum. Současně můžeme při hyperspektrálním snímání využít znalost prostorového vztahu mezi různými spektry a vytvořit podrobnější spektrálně-prostorový model pro přesnější segmentaci a klasifikaci získaného obrazu. Jelikož se jedná o novou analytickou metodu, její možnosti ještě nebyly zcela vyčerpány.

Existuje několik přístupů, jak získat hyperspektrální obraz. Jedním z nich je využití pushbroom snímače, který zachycuje pouze jeden řádek obrazu. K získání hypesrpektrálního obrazu je pak nutné, aby se buď snímaný vzorek, nebo kamera pohybovali tak, abychom zachytili celou snímanou oblast.

Toto zařízení se skládá ze tří hlavních částí: vstupní optiky, spektrografu a kamerového senzoru (obr. 1). Vstupní optika obsahuje objektiv, který je navržen pro zaznamenávaný spektrální rozsah. Clonové číslo, zorné pole objektivu a velikost kamerového senzoru jsou pak přizpůsobeny tak, abychom dosáhli minimální aberace a přesvětlení. Optickým systémem je pak zaznamenávaný obraz promítnut skrz úzkou štěrbinu na vstup spektrografu. Štěrbina tak zajistí průchod pouze úzkého pásu obrazu. Čím je pak tato štěrbina užší, tím vyšší je dosažitelné prostorové rozlišení.

Světlo, které prochází skrze štěrbinu je následně spektrografem rozloženo a promítnuto na dvojdimenzionální pole detektoru (kamerový senzor). Obraz je pak zachycen v jednom směru pole detektoru a spektrum každého pixelu je zaznamenáno ve druhém směru pole detektoru. Takto vytvořený obraz pak představuje trojrozměrnou „datovou kostku“.

Záznam pomocí pushbroom snímače stále představuje jedinou technologii hyperspektrálního snímání, která je použitelná jak v laboratořích, zemědělství, leteckém snímání tak i při online měření. Výhodou tohoto snímání je vysoká kvalita snímků pohybujících se předmětů a mnohem vyšší poměr signálu k šumu než snímání pomocí tzv. whiskbroom snímače.

Signál snímače záleží nejen na spektrálním vyzařování měřeného vzorku, ale také na vlastním vyzařování přístroje, které souvisí s jeho teplotou. Proto hyperspektrální snímání vyžaduje spektrální a radiometrickou kalibraci, tak abychom byli schopni správně přiřadit vlnovou délku a prostorové vyzařování vzorku k signálu snímače. V minulosti bylo nutné ke kalibraci použít vyzařování černého tělesa, které bylo integrováno ve snímači. Dnes je díky novému přístupu možné tuto kalibraci nahradit snímáním pozadí na čip (BMC). Při nepřetržitém měření vyzařování přístroje je tak zároveň ke každému obrazu přiřazen signál pozadí.

Příklady možné aplikace

Snímání v chemickém průmyslu a laboratorních podmínkách v reflexním módu

Donedávna bylo hyperspektrální snímání v chemickém průmyslu limitováno viditelnou/blízkou infračervenou (VNIR) a krátkovlnnou infračervenou (SWIR) oblastí. Mnoho materiálů má však silnou charakteristickou odezvu v LWIR oblasti. Například geologické oblasti mohou být rychle zmapovány kombinací SWIR a LWIR spektrálního snímání pro téměř všechny komerčně zajímavé materiály. LWIR je pak dominantní v oblasti pro detekci nerostů v živcových, křemíkových, kalcitových, granátových a olivínových půdách.

Na obrázku 2 je zobrazena geologická oblast snímána pomocí VNIR, SWIR a LWIR spektrální kamery v reflexním módu. Pro VNIR a SWIR byla jako zdroj světla použita halogenová lampa, pro LWIR kameru pak křemenné topné těleso. I když se jednalo o prototyp osvětlovacího zdroje pro LWIR, bylo dosaženo dobré minerální identifikace. Data získané LWIR snímáním tak obsahují informaci pro spolehlivou minerální detekci.

Obrázek 3 zobrazuje data reflexního LWIR snímání při materiálové identifikaci. Jako osvětlovací zdroj bylo opět použito křemenné topné těleso. Z obrázku je patrné, že živec a křemen jsou od sebe jednoduše odlišitelní. Na základě předběžných studii víme, že sodno-vápenaté živce (plagioklasy) mohou být na základě svého složení separovány, což má významný dopad na plánování a optimalizaci komerční těžby.

LWIR venkovní měření vyzařování

Obrázek 4 zachycuje měření naskenované LWIR snímačem, který byl upraven pro reflexní měření s umělým osvětlením. Data ze snímače byla normalizována pomocí vyzařování černého tělesa o teplotě 60°C a 3°C. Normalizace představuje úpravu: (data – chladná reference )/(teplá reference – chladná reference). Tento obraz poskytuje několik viditelných detailů. Okenní rám má jinou teplotu než samotné okno a zeď. Světlá skvrna umístěna na stativu představuje horký ventilátor, tmavý obdélník vlevo od stativu je pak obyčejná kniha.

Na obrázku 5 je zaznamenán venkovní snímek pořízený technologií LWIR s radiometrickou korekcí pro zimní podmínky (-15 °C). Navzdory teplotnímu rozdílu, který se blíží 30 K, jsou naměřená data v porovnání s obrázkem 4 kvalitnější. Spektra jednotlivých objektů mají jasnou charakteristiku. Objekt y tak mohou být jednoduše mapovány a klasifikovány podle jejich chemického povrchu. Touto metodou je možné také měřit a identifikovat plyny.

LWIR-C letecké experimenty

Pro letecké termální hyperspektrální měření byl vyvinut systém AisaOWL, který využívá LWIR hyperspektrální kameru. První testovací let se uskutečnil v březnu 2011 nad městem Reno a oblastí Cuprite v Nevadě, USA. Městská oblast byla vybrána pro účely veritifikace obrazu kamery a vzájemnou kalibraci kamery a GPS/INS senzoru pro přesnou geologickou referenci.

Obrázek 6 zachycuje let nad městem Reno. Pomocí šedé škály je zachycena úroveň radiace v LWIR vlnovém pásmu. Data byla sbírána za denního světla, to znamená, že obsahují tepelný i reflexní příspěvek slunečního světla. Spektra jednotlivých objektů obsahují jak spektrální vyzařování, tak teplotní rozdíly. Během měření bylo slunečné, ale chladné počasí s teplotou okolo 0°C. V noci před sběrem dat byly teploty pod bodem mrazu. Na obrázku je patrný sníh ležící na střechách domů i v ulicích.

Oblast Cuprite v Nevadě představuje jednu z nejvhodnější referenčních oblastí pro nerostné mapování na světě. Byla mapována několika LIWR snímači, například přístrojem Sebass, a proto data z této oblasti slouží jako vhodné srovnání pro nové hyperspektrální snímače. Obrázek 7 představuje data, která prošla geografickou referencí a byla mapována pomocí elevačního modelu s rozlišením 1m. Snímání bylo provedeno za slunečného dne při teplotě 0°C. Noc před snímáním pak byly teploty pod bodem mrazu. Na obrázku není patrný žádný sníh, ale jsou na něm zobrazeny některé spektrální křivky. Předběžné srovnání naměřených výsledků ukazuje shodu s předchozími měřeními. Momentálně probíhá podrobnější analýza dat (2011) a její výsledky budou dále publikovány.

Závěr

Díky novým přístupům se LWIR hyperspektrální snímání stává stále použitelnějším v mnoha průmyslových, vědeckých i armádních oblastech, které vyžadují vysoké spektrální rozlišení a poměr signálu k šumu.