Les instantanés standard de l'espace ne montrent pas tout à fait la Terre dans toute sa splendeur. Il y a tellement plus à voir.

Pour révéler des détails impossibles à observer à l'œil nu, Les ingénieurs de l'Université Rice construisent un spectromètre portable qui peut être monté sur un petit satellite, volé dans un avion ou un drone ou un jour même tenu à la main.

Le bioingénieur Tomasz Tkaczyk et ses collègues de la Brown School of Engineering de Rice et de la Wiess School of Natural Sciences ont publié les premiers résultats d'un projet financé par la NASA pour développer un petit spectromètre sophistiqué avec une polyvalence inhabituelle. Leur article paraît dans Optique Express .

Un spectromètre est un instrument qui recueille la lumière d'un objet ou d'une scène, sépare les couleurs et les quantifie pour déterminer le contenu chimique ou d'autres caractéristiques de ce qu'il voit.

L'appareil Riz, appelé Tunable Light-Guide Image Processing Snapshot Spectrometer (TuLIPSS), permettra aux chercheurs de capturer instantanément des données dans le spectre visible et proche infrarouge, contrairement aux systèmes actuels qui scannent une scène ligne par ligne et pour un remontage ultérieur.

Chaque pixel des images hyperspectrales produites par TuLIPSS contient des informations spectrales ou spatiales. Les "pixels" dans ce cas sont des milliers de fibres optiques, des guides de lumière flexibles qui délivrent les composants de l'image à un détecteur. Parce qu'ils peuvent repositionner les fibres, les chercheurs peuvent personnaliser l'équilibre des images et des données spectrales envoyées au détecteur.

Le dispositif, par exemple, peut être réglé pour mesurer la chimie d'un arbre pour voir s'il est sain ou malade. Il peut faire la même chose pour une cellule, une seule feuille, un quartier ou une ferme, ou une planète. En mode capture continue, semblable au moteur d'une caméra, il peut montrer comment les "empreintes digitales" spectrales dans une scène stationnaire changent au fil du temps, ou saisissez la signature spectrale d'un éclair en temps réel.

Tkaczyk a déclaré que TuLIPSS est unique car il fonctionne comme n'importe quel appareil photo, capturer toutes les données hyperspectrales (ce que les chercheurs appellent un cube de données) en un instant. Cela signifie qu'un avion ou un satellite en orbite peut prendre une image du sol assez rapidement pour éviter le flou de mouvement qui déformerait les données. Le traitement embarqué filtrera les données et renverra uniquement ce qui est nécessaire sur Terre, gain de temps et d'énergie.

"Ce serait un outil intéressant dans le cas d'un événement comme l'ouragan Harvey, " a déclaré Tkaczyk. "Quand il y a une inondation et une contamination potentielle, un appareil capable de survoler un réservoir pourrait dire si cette eau est potable. Ce serait plus efficace que d'envoyer quelqu'un sur un site qui peut être difficile à atteindre."

Dans un appareil photo normal, une lentille focalise la lumière entrante sur une puce de capteur et convertit les données en une image. A TuLIPSS, la lentille focalise cette lumière sur un intermédiaire :le faisceau de fibres optiques.

Dans le prototype actuel, ces fibres en collectent plus de 30, 000 échantillons spatiaux et 61 canaux spectraux dans la plage de 450 à 750 nanomètres—essentiellement, des centaines de milliers de points de données - divisés par des prismes en leurs bandes de composants et transmis à un détecteur. Le détecteur transmet ensuite ces points de données au logiciel qui les recombine dans les images ou spectres souhaités.

Le réseau de fibres est étroitement emballé à l'entrée et réorganisé en rangées adressables individuellement à la sortie, avec des espaces entre eux pour éviter le chevauchement. L'espacement des lignes permet aux chercheurs d'ajuster l'échantillonnage spatial et spectral pour des applications spécifiques, dit Tkaczyk.

Premier auteur Ye Wang, qui a obtenu son doctorat cette année à Rice, et ses collègues ont minutieusement construit le prototype, assembler et positionner les faisceaux de fibres à la main. Ils ont utilisé des scènes dans et autour de Rice pour le tester, reconstruire des images de bâtiments pour affiner TuLIPSS et prendre des images spectrales des arbres du campus pour "détecter" leurs espèces. Ils ont également analysé avec succès la santé de diverses plantes avec uniquement des données spectrales.

Des images de capture en continu du trafic en mouvement à Houston ont montré la capacité du système à voir quels spectres se déplacent au fil du temps (comme les véhicules en mouvement et les feux de circulation) et lesquels sont stables (tout le reste). L'expérience était une preuve de concept utile pour montrer à quel point le spectromètre pouvait filtrer le flou de mouvement dans des situations dynamiques.

Co-auteur David Alexander, professeur de physique et d'astronomie et directeur du Rice Space Institute, a déclaré que les chercheurs ont entamé des discussions avec la ville de Houston et le Kinder Institute for Urban Research de Rice pour tester TuLIPSS dans des études aériennes de la ville.

"Comme nous devons tester TuLIPSS de toute façon, nous voulons faire quelque chose d'utile, " il a dit, proposer une carte hyperspectrale de la ville pourrait révéler l'évolution du paysage urbain, distinguer les bâtiments des parcs ou cartographier les sources de pollen. "En principe, des vols réguliers au-dessus de la ville nous permettront de cartographier les conditions changeantes et d'identifier les zones qui nécessitent une attention. »

Tkaczyk a suggéré que les futures versions de TuLIPSS seront utiles pour l'analyse agricole et atmosphérique, les proliférations d'algues et d'autres conditions environnementales où l'acquisition rapide de données sera précieuse.

"Le vrai défi a été de décider sur quoi se concentrer en premier, " dit Alexandre. " En fin de compte, nous voulons avoir suffisamment de succès pour que la prochaine phase de développement nous rapproche du vol TuLIPSS dans l'espace."