8.5 Гиперспектральная аппаратура

Среди читателей этой книги вряд ли найдутся те, кто помнит переход от черно-белого телевидения, или от черно-белой фотографии к цветной. А ведь в этом случае речь идет о фиксации изображений только в трех цветах. Посмотрите на фантастические по красоте фотографии астрономических объектов, большая часть которых дается в «искусственных» цветах – насколько богаче становится воспринимаемая человеком информация! По этому пути идет развитие так называемой мультиспектральной, или гиперспектральной аппаратуры. В научной литературе существует и обобщающий термин – «imaging spectroscopy», эквивалента ему в русской я пока не встречал. Развитие, причем очень быстрое, этого направления теснейшим образом связано с развитием вычислительной техники. Если кому-либо из вас «повезло» разбить дешевый цифровой фотоаппарат – «мыльницу», то он должен был быть поражен тем, что сам аппарат представляет собой гибкий компьютер, в который завернута нехитрая механика и миниатюрная, но довольно совершенная оптическая система.

Задачей мульти- и гиперспектральной аппаратуры является создание изображений объекта в наборе относительно узких спектральных полос, излучение в которых позволяет выявить какие-то особенности его окраски (в понятие «цвета», в данном случае, я включаю и излучение ИК и УФ диапазонов). Подобная постановка задачи имеет два типа решений. Первый, активный, был описан в книге Я.И.Перельмана «Занимательная физика». Выделение цвета достигается облучением объекта монохроматическим излучением, соответственно, в рассеянном объектом излучении присутствует только одна спектральная компонента. Пространственно-чувствительный фотоприемник (в случае, описанном Перельманом – человеческий глаз) строит изображение только в этом цвете. Метод требует только одного (всеволнового) фотоприемника, но целого набора источников излучения, он не предназначен для самосветящихся объектов, а с точки зрения некоторых специальных применений – слишком легко позволяет обнаружить сам источник излучения.

Пассивные системы дают возможность регистрировать квазимонохроматические изображения в диапазоне от ВУФ до дальней ИК области спектра (сегодня – до примерно 10 мкм). В длинноволновой области спектра ограничения вызваны как низкой чувствительностью фотоприемников, так и мощным фоновым тепловым излучением, в том числе собственным излучением приборов.

Наиболее простой и естественный путь решения задачи – применение комбинации серии узкополосных фильтров и фотокамеры (точнее, нескольких фотокамер, поскольку современные линзовые системы и матричные приемники имеют достаточно малые размеры и массу). Интерференционные фильтры и фильтры на жидких кристаллах перекрывают диапазон от ближней УФ области до 8-10 мкм. К недостаткам таких систем можно отнести как раз узость полосы пропускания (она составляет обычно несколько процентов от центральной частоты), и необходимость большого комплекта таких фоторегистраторов, если a’priori набор соответствующих частот не известен.

Реальный скачок в развитии и применении гиперспектральной аппаратуры произошел на границе 60-70х годов ХХ века, когда заработала программа Landsat. Он связан с открывшимися возможностями записи и обработки огромных массивов информации. Один из вариантов уже упоминался в главе 6 – HTS спектрометр с двойным кодированием, позволяющий восстановить двумерное изображение в излучении с разными частотами. Однако можно вспомнить и самый обычный спектрограф, регистрирующие спектр не с помощью фотопластинки, а с помощью двумерной матрицы. На протяжении всей книги я неоднократно напоминал, что оптика спектрометра строит изображение входной диафрагмы. Пусть это будет щель. Спроецируем при помощи объектива на щель изображение внешнего объекта. Щель вырежет из этого изображения узкую полоску, и в выходной фокальной плоскости спектрометра создается серия изображений щели (т. е. узкой полосы изображения объекта) в разных длинах волн. Запомним этот спектр и сместим изображение объекта на щели в направлении перпендикулярном ее образующей на величину, равную ширине щели. Сделаем второй снимок, затем так же – третий, и т. д. В итоге в памяти компьютера будет получена серия спектров для разных, дополняющих друг друга полосок двумерного изображения объекта. Принято говорить, что формируется «куб памяти» о пространственно-спектральных характеристиках объекта (две оси – координаты на плоскости, третья – частота). Смещение изображения можно осуществлять, прибегнув к механической развертке (так было сделано при первых экспериментах), но можно воспользоваться общим движением самой спектральной аппаратуры на транспортном средстве – автомобиле, самолете, или спутнике.

Анализ полученного массива может выполняться так, как это требуется исследователю – можно построить изображения в излучении с разными частотами, а можно усреднить информацию по пространственным координатам, или по одной из них и получить усредненный спектр. Наибольший интерес представляет, обычно, именно первая возможность, так как элементы изображения неконтрастные (и потому невидимые) в одном диапазоне частот могут оказаться совершенно различными по яркости в другом. Пример подобных изображений показан на рис. 8.6. Особое внимание в конструировании гиперспектральной аппаратуры уделяется ИК

Изображение земной поверхности в синем участке спектра	Изображение того же участка поверхности в желто-зеленом излучении
Рис. 8.6 http://landsat.gsfc.nasa.gov/education/compositor/pdfs/ Landsat_7_Compositor_no_answers.pdf

области спектра, где лежат полосы поглощения многих органических молекул, СО, СО₂ и метана. Для регистрации здесь используются двухлучевые интерферометры, обеспечивающие выигрыш Фелжета по световому потоку, правда, сложность дешифрирования изображений при этом серьезно возрастает.

Гиперспектральные приборы находят все более и более широкое применение при решении различных задач в земледелии, геологии, экологии и военном деле.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Прочитанная Вами книга не дает никаких советов и не направлена на то, чтобы указать, какой из приборов, какая из систем, какое направление их развития лучше, или хуже. Предполагалось, и, я надеюсь, это удалось, рассказать о самых общих принципах работы устройств для анализа оптических спектров. Выбирать дальнейший путь Вы должны сами, исходя из потребности решения конкретной задачи. Все описанные системы имеют равное право на существование. Развитие науки и техники идет сложными путями, и предсказать, какие задачи встанут перед ними завтра невозможно.

1Здесь и далее значком будем обозначать пропорциональность одной величины другой безотносительно к размерности этих величин.

2 Описанные элементы спектроскопического опыта мы считаем линейными и инвариантными в пространстве и времени, а помехи – аддитивными. На самом деле уровень флюктуаций сигналов некоторых фотоприемников зависит от величины сигнала (например, мощность флюктуаций тока фотоумножителя растет пропорционально самому току), а случайное изменение положения изображения дуги на входной апертуре спектрального прибора, вызванное нестабильностью самой дуги следует рассматривать как мультипликативную помеху. Рассмотрение этих особенностей увело бы нас далеко в сторону от основной задачи – анализа свойств самих линейных спектроскопических устройств.

3 Слово аподизация образовано из греческого (отрицание + (след, подошва) и может быть переведено приблизительно как «устранение следов» или «уменьшение пьедестала». Иногда термин аподизация трактуется шире: как любое воздействие на форму аппаратной функции.

4 Вывод, который мы приводим, не является строгим, однако качественно полученные соотношения совпадают с результатами строгой теории. Более подробно об этом можно прочитать в книге [13].

5 Даже при измерении поглощения излучения высокостабильного лазера необходимо името в виду случайные изменения амплитуды, связанные с интерференцией элементов волны, прошедших через различные области пространства и испытавших разную случайную задержку фазы. Эти эффекты приводят к образованию так называемых спеклов.

6 Слово «пространственно» часто опускается, и тогда говорят просто о когерентном или некогерентном освещении. Отметим также, что разрушить пространственную когерентность не просто. Установив, например, перед спектрометром матовое стекло, мы не нарушаем пространственную когерентность.

7 Если соотношение (2.19) использовать для определения отклика спектрографа на монохроматическое излучение, то функция будет иметь значительно более сложный вид с вторичными максимумами и медленно спадающими крыльями. Наличие их обусловлено рассеянием света в фотоэмульсии и отражениями от задней поверхности фотопластинки. Надо также учесть, что соотношение (2.19) для фотоматериалов применимо лишь приближенно из-за нелинейного характера регистрации. Аналогичное замечание можно высказать и о применении этой формулы к современным телевизионным фотоприемникам и многоэлементным полупроводниковыми устройствами при наличии растекания заряда. Правда, прогресс в этой области настолько стремителен, что уже сейчас подобные эффекты стали очень малы.

8 Для того чтобы представить себе такую двумерную волну, достаточно вспомнить, например, дифракционную решетку. Если считать, что пропускание решетки в зависимости от координат меняется по синусоидальному закону, то аналогия будет достаточно полной.

9 Пропорциональная сдвигу величина имеет размерность пространственной частоты и реально соответствует частоте полос муара, логично было бы обозначить ее , но мы уже использовали эту переменную для пространственной частоты тракта формирования изображения.

10 В данном случае речь идет не об оптических частотах, а об обычном «радиотехническом» диапазоне. На практике, это десятки герц или меньше – все определяется свойствами фотоприемника и возможностями механических систем.

11 Более точно нужно было бы сказать, что решетка и призма не «отклоняют» падающее на них излучение, а рассеивают в некотором вполне определенном направлении. Измеряя угол рассеяния, мы измеряем длину волны, а измеряя мощность – яркость соответствующей компоненты спектра

12 Более того, из-за четности функций мы не можем определить, какой из линий нужно приписать индекс 1, а какой – 2. По счастью, исходное наше предположение о равенстве интенсивностеи линий позволяет не задумываться об этом.

13 Вопрос о точности измерений периода синусоиды (косинусоиды) имеет значительно более общий характер, чем это может показаться читателю. Представим себе, что в результате некоторого опыта на конечном промежутке [0, Х] регистрируется монохроматическое колебание cos(2πν₀x). Его спектр можно записать в виде суммы двух составляющих f(ν)={sinc[(ν-ν₀)X] + sinc[(ν+ν₀)X]}. Сформулированное нами ранее правило требует в качестве критерия разрешающей способности взять расстояние от максимума до первого нуля функции sinc, т. е. величину 1/Х. Для априорно-монохроматического процесса это – явно завышенная величина погрешности, при малом уровне шумов удается определить положение основного максимума с точностью в 100 меньше сделанной нами оценки. Общий же вывод таков: чем большую величину имеет наблюденный участок синусоиды, тем точнее можно измерить ее период.

14 «Hadamard Transfer Spectroscopy». Вместо полного названия часто употребляется сокращение HTS.

15 Заметим, что описывая работу спектрометра с преобразованием Адамара, мы могли рассмотреть излучение, относящееся к какому-то одному элементу спектра (излучение фиксированной частоты) и изучить зависимость величины прошедшего через маску светового потока этой частоты как функцию времени. Чередование прозрачных и непрозрачных компонентов матрицы при ее сдвиге осуществляет импульсно-кодовую цифровую модуляцию в соответствии с законом расположения нулей и единиц в определенной строке матрицы Адамара.

16 Говоря более строго, такая техника ближе к синхронному детектированию радиосигналов при «однополосном» приеме. Развитие электроники сделало этот метод, использованный раньше только в специальных связных приемниках, вполне доступным в бытовых устройствах.

17 Нетрудно видеть, что выведенное нами соотношение является фурье-образом распределения так называемого «каналового» спектра, который регистрируется при наблюдении отраженного от тонкой пленки излучения источника с широким сплошным спектром.

18 Заметим, что измерение подобной функции для ультракоротких импульсов возможно только для периодически повторяющихся импульсов, причем форма их должна быть стабильной.

19 Вновь хотелось бы обратить внимание читателя на то, что интерференция двух волновых пакетов, в том числе волн, образованных разными источниками, имеющих различные пространственно-частотные характеристики и зависимость амплитуды от времени, происходит всегда, если волны перекладываются в пространстве – в этом, собственно, состоит принцип суперпозиции. Для наблюдения интерференции ультракоротких импульсов с приближенно одинаковыми центральными частотами достаточно синхронизировать лазеры [44]. Различие методов наблюдения результата сложения волн определяет и технику экспериментов, и их возможности. Наиболее распространенный метод, как уже отмечалось, – измерение среднего во времени распределения энергетической экспозиции, но если пространство взаимодействия волн заполнено некоторой средой, применяется и регистрация результата рассеяния волн, в том числе – нелинейного.

20 Полученное соотношение несколько отличается от известного из публикаций, но верно передает все особенности поля дифракции

21 http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2005/hansch-lecture.pdf