Garantizando fidelidad espectral: optimizando calidad de cámaras hiperespectrales

La imagen hiperespectral combina imagen y espectroscopía. Hay muchas arquitecturas ópticas diferentes para hacer sistemas hiperespectrales, pero el objetivo final es el mismo: hacer una imagen donde cada píxel contenga información de muchas bandas espectrales (muchos colores o longitudes de onda diferentes).

Hacer buenos sistemas hiperespectrales no es fácil, pero si solo tienes calidad en mente, tu máxima prioridad debe ser la fidelidad espectral en cada píxel —es decir, el espectro capturado por un píxel es una representación física real de la escena imagenada por ese píxel específico. Hay muchos parámetros clave de calidad que influyen en la fidelidad espectral de un sistema hiperespectral. La influencia en la fidelidad espectral de los diferentes parámetros clave depende de muchos factores pero, en general, los más importantes son:

• Desregistro espacial
• Desregistro espectral
• Luz parásita (straylight)
• Número F (F#)
• Función de respuesta espectral
• Parámetros del detector
• Estabilidad ambiental

Función de dispersión de punto (PSF)

Para evaluar rendimiento de un sistema hiperespectral, necesitamos introducir el término función de dispersión de punto (PSF). Es la forma de la curva de intensidad para la energía que llega al detector a través de la óptica desde una fuente puntual.

Idealmente, en sistema hiperespectral pushbroom, el muestreo espacial es el mismo para todas las bandas. En realidad, nunca es cierto y resulta en desregistro espacial.

Para una posición en el campo de visión (FOV), la forma, tamaño y posición del centro de gravedad de la PSF deberían ser iguales en todas las bandas. Una meta de diseño es hacer la forma y tamaño de PSF tan similares como sea posible para todas las posiciones en el FOV. En aplicaciones reales, el desregistro espacial en sí y las diferentes fuentes causándolo son de gran importancia, y puede mostrarse cómo diferencias en su centro de gravedad comprometen resultados de procesamiento de datos.

Desregistro espectral y óptica nítida

El desregistro espectral también es muy importante para la fidelidad espectral. Como con el espacial, la forma, tamaño y posición de la PSF espectral es importante. Para evitar aliasing espectral, el ancho de la PSF debería mantenerse cerca de dos bandas espectrales, pero en muchas situaciones se prefieren ópticas más nítidas.

Hay muchas razones para hacer ópticas nítidas por píxel y por banda. Para cualquier detector dado, con paso de detector dado, el espectrómetro de imagen siempre dará más información con ópticas nítidas. Por otro lado, muestrear la PSF con más de un píxel da más información sobre la PSF, pero para un detector dado, reducirá la resolución del sistema. Cualquier sistema óptico dado siempre dará más información, cuantos más píxeles tengas por función de dispersión de punto (PSF).

Luz parásita y número F

Otro parámetro clave es la luz parásita del sistema óptico. En general, luz parásita es luz que llega al detector de lugares donde no debería. Puede ser por reflexiones dentro de la óptica, dispersión en superficies ópticas, reflexiones en superficies mecánicas, etc. El efecto de luz parásita también puede ser diferente para diferentes rangos espectrales. No hay estándar industrial hoy para medir luz parásita de sistemas hiperespectrales y diferentes proveedores lo hacen diferente.

La capacidad de captación de luz de la óptica suele ser parámetro muy importante (bajo F#). Cuantos más píxeles espaciales y bandas espectrales en el sistema, menos luz llega a cada píxel/banda. Esto significa que un sistema de imagen hiperespectral de alta resolución debe ser muy sensible a la luz. Este parámetro puede variar en importancia según la plataforma. Si el sistema hiperespectral se despliega en aeronave o entorno industrial, la velocidad suele ser parámetro importante y bajo F# es entonces muy importante para buena relación señal-ruido (SNR) en todo el rango espectral. Por el contrario, aplicaciones de laboratorio típicamente pueden recoger más luz usando tasas de captura más lentas e integrando más tiempo, permitiendo más flexibilidad en apertura.

SNR, función de respuesta espectral y detectores

Alto SNR para todo el rango espectral es parámetro muy importante del sistema hiperespectral y qué tan alto es SNR depende de la función de respuesta espectral del sistema completo. El SNR pico solo especifica el SNR máximo de una banda cerca de saturación y, por tanto, no da toda la historia. También se necesitaría saber la eficiencia cuántica total del sistema como función de longitud de onda. Para dar información útil, la curva SNR necesita especificarse para una radiancia de entrada dada y un tiempo de integración/exposición dado (y operacionalmente realista/relevante).

El detector es parte importante de sistemas hiperespectrales y, en muchos casos, define la meta de diseño de sistemas ópticos. El rango SWIR (900-2500 nm) tiene número muy limitado de detectores disponibles y el precio aumenta drásticamente con aumento de conteo de píxeles del detector. Es escenario donde la óptica se diseña para el detector y usualmente diseñada para ser lo más nítida posible.

Para rango VNIR (400-1000 nm) hay muchos detectores disponibles y puede elegirse el que más sentido haga para el sistema óptico. Para ambos rangos VNIR y SWIR, hay muchos parámetros del detector de gran importancia: capacidad de pozo completo, piso de ruido, modos de lectura, velocidad de lectura, paso de píxel, eficiencia cuántica como función de longitud de onda, y más. El mercado de detectores cambia constantemente, y es importante para fabricantes hiperespectrales mantenerse al día para integrar los mejores detectores disponibles.

Calibración y estabilidad ambiental

Procedimientos y estándares de calibración usados (incluyendo precisiones) deberían estar disponibles para usuarios y tener calibración radiométrica trazable a estándares NIST o PTB (o similares) es, por tanto, muy importante.

Cualquier sistema hiperespectral necesita mantener calibración radiométrica y espectral estable y precisa fuera de entorno controlado. No sirve tener sistema perfectamente calibrado saliendo de fábrica si no es estable y válido tras transporte y durante operaciones. Esto significa que calibración espectral, radiométrica y geométrica debe ser estable dentro de diferentes temperaturas, presiones y bajo vibraciones fuertes, para asegurar que el sistema dará resultados repetibles y fiables bajo condiciones exigentes, como operaciones UAV.

Comparación y estandarización

Es muy difícil discriminar diferentes sistemas hiperespectrales de datasheets de alto nivel de proveedores. Al comparar sistemas de diferentes fabricantes (o diferentes modelos del mismo), un informe detallado especificando los parámetros mencionados para ese modelo de cámara debería ser provisto por el proveedor. Además, es aconsejable solicitar datos de muestra de una escena relevante para la aplicación del usuario.

Actualmente hay una acción para hacer un estándar común para caracterizar cámaras hiperespectrales, organizada por IEEE. HySpex apoya y está fuertemente involucrado en este grupo, apuntando a hacer ofertas más transparentes para usuarios finales de sistemas de imagen hiperespectral.

Este artículo fue escrito por Trond Løke, CEO, Norsk Elektro Optikk, AS (Oslo, Noruega). Para más información, contacte This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., o visite aquí.

Referencias

1. Resampling in hyperspectral cameras
2. Spatial misregistration in hyperspectral cameras
3. Keystone correction
4. Sharp optics many pixels
5. Scientific grade UAV
6. Quality vs620
7. IEEE P4001