Spettrometro aviotrasportato per il monitoraggio del rischio ambientale
Indice del documento
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Schema dello strumento
-
Dettaglio dei componenti
o Camera termica
o Camera multispettrale
o Sensori iperspettrali
-
Accessori dello strumento
Spettrometro aviotrasportato per il monitoraggio del rischio ambientale
Schema dello strumento
Lo strumento è costituito da un sistema integrato di quattro sensori elettro-ottici in configurazione
multispettrale e iperspettrale per acquisizione simultanea della stessa area a terra in più regioni
spettrali dal visibile all’infrarosso termico, specificamente selezionate per il monitoraggio del
rischio ambientale e, in particolare, di incendi in zone boschive.
I quattro sensori integrati nello spettrometro sono:
-
una camera termica (banda spettrale da 7.5 a 13 µm)
una camera multispettrale sensibile nella banda visibile
due sensori iperspettrali per le regioni visibile-Near IR (da 430 a 900 nm) e Near IR (da 900
a 1700 nm)
Tutti i sensori operano in modalità pushbroom: installati a bordo di un velivolo e puntati per
osservazione nadirale (lungo la verticale, verso il basso), dotati di dispositivi fotosensibili a più
elementi distinti e indipendenti disposti in matrice, eseguono l’osservazione dell’area sorvolata
acquisendo: i) simultaneamente gli elementi allineati secondo al direzione ortogonale a quella di
avanzamento del velivolo; ii) in sequenza quelli secondo la direzione di volo, grazie al moto di
avanzamento della piattaforma che trasporta il sistema.
a
g=2a tan(α/2)
g
Configurazione pushbroom.
Dettaglio dei componenti
Camera termica
La camera termica (Indigo Omega) opera nella banda del far IR. Le sue caratteristiche salienti sono:
- detector micro-bolometrico di ultima generazione (VOx technology) con elevata sensibilità
e che non richiede stabilizzazione della temperatura di funzionamento, a vantaggio della
compattezza e della potenza elettrica assorbita
- estrema compattezza e massa ridotta
- possibilità di ricalibrazione interna durante il funzionamento
- ampio intervallo di condizioni operative accettabili
-
possibilità di controllo della modalità di funzionamento durante l’operazione attraverso un
canale digitale RS232
Nella tabella 1 che segue sono riportate ulteriori caratteristiche tecniche.
Tabella 1.
Detector
Risposta spettrale
Risoluzione
Noise Equivalent
Temperature difference
(NedT)
Frame rate
Sorgente di
calibrazione
Stabilizzazione termica
Metodo di
raffreddamento
FOV / IFOV
Output
Condizioni operative
Potenza assorbita
Massa
Dimensioni
Microbolometro uncooled in
tecnologia Vanadium Oxide (VOx)
7.5 – 13 µm
160 x 120 pixels
< 80 mK
Fino a 25 Hz
interna
Non richiesta
Per conduzione attraverso la base
della camera
40 x 30 deg / 0.27 deg
(focale 11mm)
analogico, segnale video standard
CCIR/PAL
0 – 40 °C, umidità fino al 95%
< 1.5 W
≤ 120 g
34.3 x 36.8 x 48.3 mm3
(corpo camera)
Camera termica Indigo OMEGA
Camera multispettrale
La camera multispettrale (DuncanTech MS 4100) opera l’osservazione simultanea nelle tre bande
spettrali R, G e B del visibile (400 – 500, 520 – 560, 590 – 630 nm) grazie a un sistema ottico
rifrattivo per la focalizzazione su tre piani focali distinti della radiazione nelle tre bande e l’impiego
di tre detector CCD (vedi figura). Questi sono operanti in modo sincrono per ottenere l’acquisizione
simultanea nelle tre bande della stessa scena.
Schema funzionale della camera multispettrale DuncanTech MS 4100
Le caratteristiche principali di questo strumento sono:
- l’elevata risoluzione, garantita dal numero di pixel per ciascun detector (1920 x 1080)
- il frame rate massimo di 10 fps alla massima risoluzione
- uscita sia analogica PAL (in risoluzione ridotta) che digitale a 8 e 12 bit per pixel (alla piena
risoluzione e pieno frame rate)
- controllo remoto della modalità operativa durante il funzionamento via canale digitale
RS232
La tabella 2 che segue sintetizza le caratteristiche tecniche dello strumento.
Tabella 2.
Detector
Risposta spettrale
Risoluzione
Frame rate
FOV / IFOV
Output
Condizioni operative
Potenza assorbita
Massa
Dimensioni
3 x 1-inch CCD
3 bande spettrali (R, G e B) in 400 – 700 nm
1920 x 1080 pixels per banda
Fino a 10 Hz
46 x 26 deg / 0.025 deg
(focale 17mm)
Analogico: segnale video standard CCIR/PAL
Digitale: Digital Image Output – Camera link
0 – 50 °C
< 15 W
≤ 1.8 kg
89 x 97 x 160 mm3
(corpo camera)
Camera multispettrale DuncanTech MS 4100
Camere iperspettrali
I due sistemi iperspettrali sono realizzati secondo una originale soluzione tecnologica associando ad
una camera con detector bidimensionale uno spettrografo ad immagine, realizzando uno strumento
in grado di caratterizzare sia la distribuzione spettrale che quella spaziale della radiazione
proveniente dalla superficie osservata.
Configurazione dei sistemi iperspettrali
Componenti e schema funzionale dei sensori iperspettrali
La configurazione, comune ad entrambi i sistemi iperspettrali, prevede un’ottica rifrattiva standard
per focalizzare l’immagine della scena osservata e, in corrispondenza del piano focale di tale ottica,
la sezione di ingresso dello spettrografo, costituita da una stretta fenditura (slit) (25 µm per il
sistema VIS-NIR, 80 µm per quello NIR). Lo spettrografo, quindi, scompone la radiazione
focalizzata sulla fenditura nelle sue componenti spettrali, disperdendo quelle nella banda di
interesse secondo la direzione ortogonale a quella di sviluppo della slit. L’immagine formata sul
detector, posto a valle dello spettrografo, è rappresentativa della distribuzione di radianza nella
scena lungo la direzione di sviluppo della slit e della relativa composizione spettrale nella direzione
perpendicolare. L’allineamento del detector (cioè della camera) con lo spettrografo, da operare in
sede di calibrazione dello strumento, consente di associare a righe e colonne delle immagini
acquisite il significato di asse di risoluzione spaziale e spettrale dello strumento.
Lo spettrografo ad immagine impiegato in entrambi i sensori iperspettrali è il sistema ImSpector
della ditta finlandese Specim. Questo strumento è realizzato in una tecnologia innovativa (brevetto
della Specim) e impiega un sistema diffrattivo basato su un componente gelatinoso che garantisce:
alta linearità spettrale, alta efficienza, assenza di aberrazioni, compattezza, configurazione assiale
del sistema ottico complessivo, elevata resistenza a sollecitazioni meccaniche (vibrazioni e shock).
Per l’impiego in due bande spettrali distinte, sono adottate due versioni diverse dello ImSpector: la
V9 per la banda VIS-NIR e la N17 per la banda NIR. Nella tabella 3 sono riportate le rispettive
caratteristiche. In particolare, il primo ha risoluzione spettrale di 2.7 nm nella regione 430-900 nm
risultanti in circa 64 bande di risoluzione, il secondo ha risoluzione spettrale di 13 nm nella regione
850-1750 nm risultanti in circa 60 bande di risoluzione spettrale.
I due sistemi iperspettrali sono completati dalle seguenti camere, le cui specifiche sono in tabella 4:
-
camera Sony XC-ST30/CE per il sistema VIS-NIR, con detector di tipo CCD da 752 x 582
pixels (rispettivamente per le risoluzioni spaziale e spettrale)
-
camera Sensors Unlimited SU 128 RT-V per il sistema NIR, con detector di tipo InGAs da
128 x 128 pixels
Per quanto riguarda le ottiche, i sistemi prevedono la possibilità di obiettivi intercambiabili con
attacco standard di tipo C. Sono disponibili obiettivi con le seguenti focali: 4.8 mm, 12 mm, 16 mm,
25 mm per diverse ampiezze del campo di vista del sensore. In tabella 5 sono riportati FOV e IFOV
delle configurazioni possibili per i sensori iperspettrali per le diverse ottiche disponibili.
Tabella 3
Bande
modello
banda (nm)
Spettrografo
Ris. spettr.
(nm)
numero
bande
slit (µm)
dimensioni
imm. p.
focale (µm)
Modello
banda (nm)
Sensore
dimensioni
pixel (µm)
nr. pixel
Spettrografo
+
Sensore
dimensioni
area
sensibile
(µm)
Banda
risultante
(nm)
risoluzione
nel piano
focale (nm)
ris. spettr.
(nm)
Numero
bande
dimensioni
immagine
utile (µm)
pixel
binning
praticabile
nr. campioni
necessari
(binned
pixels)
limite inf.
limite sup.
ampiezza
approx
lung.
larg.
lung.
larg. (*)
camera
detector
limite inf.
limite sup.
ampiezza
H/spaz.
V/spettr.
H/spaz.
V/spettr.
H/spaz.
V/spettr.
limite inf.
limite sup.
ampiezza
H/spaz.
V/spettr.
approx
H/spaz. (µm)
V/spettr. (µm)
H/spaz. (pix)
V/spettr. (pix)
frame (pix)
H/spaz.
V/spettr.
H/spaz.
V/spettr.
frame
VIS-NIR
Specim ImSpector V9
430
900
470
NIR
Specim ImSpector N17
850
1750
900
2.7
174.1
175
9.9
25
9900.00
13
69.2
70
9.9
80
9900.00
4351.85
Sony XC-ST30/CE
Sony ICX 423 AL
400
1000
600
11.6
11.2
752
582
8723.20
5538.46
SU 128 RT-V
SU 128-1.7 T1
900
1700
800
60
60
128
128
7680.00
6518.40
430
900
470
11.6
7680.00
900
1700
800
60.0
25.0
80.0
2.7
174.1
175
8723.20
4351.85
752
389
2.93E+05
1
13.0
61.5
62
7680.00
4923.08
128
83
1.06E+04
1
2
752
195
1
128
83
1.47E+05
1.06E+04
(*) La dimensione dell'immagine di una banda di risoluzione spettrale e' pari alla larghezza della slit.
Tabella 4
Detector
Spectral response
Risoluzione
Frame rate
Stabilizzazione termica
detector
Uscita
Condizioni operative
Potenza assorbita
Massa
Dimensioni
Sony XC-ST30/CE
2/3-inch CCD
400-1000 nm
752 x 582 pixels
nessuna
Sensor Unlimited SU128 RT-V
InGAs detector
900-1750 nm
128 x 128 pixels
25 fps
18 °C
Analogica, segnale video
standard PAL
temperatura: -5 ÷ 40 °C
umidità: <95%
2.1 W
105 g
44 x 29 x 57.5 mm3
(corpo camera)
Analogica, segnale video
standar PAL;
Digitale, interfaccia RS422, 12
bit/pixel
temperatura: 0 ÷ 40 °C
umidità: <95%
8 W (inclusa stabilizzazione
termica deterctor)
1.1 kg
158.5 x 103.2 x 103.2 mm3
(corpo camera)
Tabella 5
Focale
(mm)
Sensore
iperspettrale VISNIR
Sensore
iperspettrale NIR
4.8
12
16
25
4.8
12
16
25
FOV (°)
across
along
track
track
84.52
0.30
39.95
0.12
30.50
0.09
19.79
0.06
77.32
0.95
35.49
0.38
26.99
0.29
17.46
0.18
IFOV (°)
across
along
track
track
0.14
0.30
0.06
0.12
0.04
0.09
0.03
0.06
0.72
0.95
0.29
0.38
0.21
0.29
0.14
0.18
Accessori dello strumento
Per l’acquisizione e la memorizzazione dei dati prodotti dall’assieme di sensori integrati sono
previsti i seguenti sistemi accessori:
-
registratore digitale (formato miniDV, 1 canale) di segnale viedo standard PAL, per il
salvataggio dei dati acquisiti
frame grabbers per acquisizione e digitalizzazione in personal computer dei segnali viedo
analogici
sistema di trasmissione via radio in formato analogico del segnale video prodotto dai
sensori, costituito da trasmettitore (per l’istallazione a bordo del velivolo che trasporta i
sensori) e ricevitore per l’installazione alla stazione di terra di controllo dello svolgimento
della missione. In tabella 6 sono riportate le principali caratteristiche del sistema di
trasmissione.
Tabella 6
Segnale
Standard
Qualità della trasmissione
Frequenza di trasmissione
Range operativo
Potenza trasmessa
Potenza assorbita
Massa
Dimensioni
Antenna
Sensitività
Potenza assorbita
Massa
Dimensioni
Antenna
Analogico
PAL
Broadcast
2.4 GHz
Fino a 5 km in cammino ottico libero
Trasmettitore
2 livelli: basso (200 mW) e alto (1 W)
1.8 W (basso) / 5 W (alto)
< 100 g
3
40 x 13 x 6 mm (trasmettiore 200 mW)
60 x 60 x 30 mm3 (amplificatore 1 W)
Patch type, emispherical radiation pattern
Ricevitore
-92dBm
<4W
300 g
150 x 65 x 20 mm3
Patch type, emispherical radiation pattern