Generación de imágenes hiperespectrales subacuáticas.

Un aparato (20; 44) para la colocación sobre o en una masa de agua (22) para generar imágenes hiperespectrales del material (24) en el agua,

que comprende una fuente (52) de luz artificial, medios para ajustar el espectro de luz emitida por la fuente (52) de luz artificial, y un generador de imágenes hiperespectrales que están dispuestos de modo que, en uso, la luz de dicha fuente (52) de luz artificial sale del aparato debajo de la superficie del agua y es reflejada por dicho material antes de volver a entrar en el aparato debajo de la superficie del agua y entrar en dicho generador de imágenes hiperespectrales, en el que dicho generador de imágenes hiperespectrales está adaptado para producir datos de imágenes hiperespectrales que tienen por lo menos dos dimensiones espaciales, en el que el aparato comprende un sensor óptico y medios para estimar un coeficiente de atenuación espectral del agua ambiental usando una salida del sensor óptico, y en el que el aparato está dispuesto para usar tales estimaciones de un coeficiente de atenuación espectral para ajustar la salida espectral de la fuente de luz artificial de modo que un predeterminado espectro de luz llega a dicho material o para compensar la atenuación de la luz reflejada o emitida que vuelve al aparato.

Generación de imágenes hiperespectrales subacuáticas Esta invención se refiere a la generación de imágenes hiperespectrales de muestras y escenas acuáticas.

Cuando se ve una escena usando un sensor de generación de imágenes digitales tradicional o con el ojo, la intensidad de luz de cada punto o píxel de la escena observada se puede determinar para cada una de tres bandas de longitud de onda (centradas alrededor del rojo, verde y azul para una cámara digital, y verde amarillento, verde y violeta azulado para el ojo humano) .

La información acerca de las emisiones espectrales completas (es decir, un gráfico continuo de la intensidad en todas las longitudes de onda) de la escena puede, en el mejor de los casos, estar representada en solo un espacio de color de tres dimensiones, necesitando una pérdida de información.

Se han usado sensores multiespectrales en investigación en medios acuáticos (agua dulce, agua salobre y agua salada) durante alrededor de 30 años. Los sensores multiespectrales se dividen en más de tres bandas de color discretas y de este modo dan información espectral más detallada. Típicamente tienen una resolución de longitud de onda mínima de 10 nm. Típicamente se han colocado en satélites, aeroplanos, boyas y barcos para analizar la radiancia de corrientes ascendentes remotamente, y en vehículos subacuáticos para medir la radiancia de corrientes tanto ascendentes como descendentes in situ. En ambos casos la luz medida por el sensor viene de iluminación natural que incide en el agua.

El documento US 2005/0007448 describe una plataforma subacuática que comprende una fuente de iluminación, un divisor de haz y varios detectores cada uno sintonizado a diferentes frecuencias o longitudes de onda para la generación de imágenes multiespectrales simultáneas.

También se conocen sensores hiperespectrales. Estos tienen una mucho mejor resolución de longitud de onda que los sensores multiespectrales - por lo menos 10 nm o mejor y pueden funcionar en un amplio intervalo de longitudes de onda que incluyen luz visible y típicamente también en frecuencias de ultravioleta e infrarrojo. También se conoce el uso de sensores hiperespectrales para propósitos de generación de imágenes en sensores remotos pasivos. Un generador de imágenes hiperespectrales (conocido también como espectrómetro de generación de imágenes, espectroscopio de generación de imágenes, espectroradiómetro de generación de imágenes, generador de imágenes superespectrales o ultraespectrales) , es capaz de determinar la intensidad de luz de cada punto o píxel de una escena para cada una de un gran número de longitudes de onda (típicamente cientos) , cada una no más de 10 nm de ancha. Esto da como resultado mucho más información espectral acerca de la escena que se está preservando que en el caso en el que solo están disponibles tres bandas, como para la generación de imágenes convencional.

Debido a que los generadores de imágenes hiperespectrales dan tal información espectral detallada para cada píxel en la imagen, independientemente entre sí, es posible identificar regiones que contienen tipos particulares de materia, tales como substancias químicas y organismos, usando sus espectros únicos conocidos.

Las aplicaciones de los generadores de imágenes hiperespectrales incluyen exploración mineral, agricultura, astronomía y monitorización medioambiental. Se usan típicamente en aeroplanos (denominada visión "remota") .

Una revisión del uso de sensores hiperespectrales en oceanografía se da en "The New Age of Hyperspectral Oceanography" by Chang et al. en Oceanography, June 2004, pp.23-29. El documento WO 2005/054799 describe el uso de un generador de imágenes hiperespectrales de plataformas aéreas para observar medios marinos costeros remotamente. El uso de un generador de imágenes hiperespectrales para mapear la distribución del bosque de algas marinas cerca de la costa se describe en "Kelp forest mapping by use of airborne hyperspectral imager" by Volent et al. en Journal of Applied Remote Sensing, Vol. 1, 011503 (2007) .

Sin embargo, el solicitante se ha dado cuenta de que tomar imágenes hiperespectrales remotamente desde el aire o desde el espacio tiene varias limitaciones. Por ejemplo, incluso para agua ópticamente muy transparente, tal como la que se puede encontrar en el Ártico, no es posible distinguir características del fondo marino o de materia suspendida más allá de una profundidad de unos pocos metros. En aguas marinas más típicas, incluso esta visibilidad limitada se reduce drásticamente y es normalmente menor de un metro más o menos - en aguas más turbias puede que solo unos pocos centímetros sean penetrables por la luz. Esto limita la utilidad de esta técnica. Aparecen problemas adicionales debido a interferencias del aire entre la superficie del agua y el generador de imágenes remoto, por ejemplo, debido a nubes y a la dispersión Rayleigh. También es necesario tener en cuenta el ángulo del sol en el cielo.

Además, la resolución espacial de los sistemas de sensores remotos convencionales, tales como un generador de imágenes hiperespectrales montado en un aeroplano, típicamente es relativamente baja.

Cuando se ve desde un primer aspecto la invención proporciona un aparato según la reivindicación 1.

Según la invención, se proporciona un nuevo método y aparato para la generación de imágenes hiperespectrales acuáticas (medidas ópticas usando fuentes de luz artificial) que abren la posibilidad de usos más amplios y precisos de generadores de imágenes hiperespectrales en medios subacuáticos. Se pueden obtener imágenes hiperespectrales bidimensionales de material sumergido desde un aparato in situ; es decir, un aparato que está por lo menos parcialmente sumergido. Al tener el control de la fuente de luz, se pueden realizar mediciones más precisas de las características de reflectancia y transmisión, dado que no hay necesidad de calibrar para el ángulo solar sobre el horizonte, y no hay distorsiones atmosféricas de las que preocuparse. Además la generación de imágenes hiperespectrales se puede llevar a cabo a cualquier profundidad, en lugar de sólo en la superficie como con los enfoques de teledetección.

Además llevando su propia fuente de luz artificial, el aparato se puede usar para generar imágenes de material a profundidades mucho mayores; ya sea porque se puede hacer lo suficientemente brillante para penetrar más allá, o porque el propio aparato se puede sumergir a la profundidad requerida. Una ventaja adicional dada por la fuente de luz a bordo es que el espectro de emisión de la fuente de luz se puede escoger o adaptar al espectro de reflectancia del material que se busca o espera y a las propiedades ópticas del agua. Estas propiedades ópticas se ven afectadas por la materia orgánica disuelta coloreada, materia en suspensión, fitoplancton, etc. De este modo, si se está buscando un material particular, la fuente de luz se puede elegir para asegurarse de que está iluminado por todas las longitudes de onda deseadas que corresponden a picos en su espectro de reflexión. Igualmente la fuente de luz apropiada se puede escoger por las propiedades de absorción dispersión de agua en la que está funcionando la unidad.

Por ejemplo, un aparato según la invención, tal como un vehículo subacuático autónomo (AUV) , vehículo manejado remotamente (ROV) , podría estar provisto de una pluralidad de fuentes de luz. Cada fuente de luz se podría usar en diferentes condiciones o cuando se busquen diferentes materiales; o de hecho se podrían mezclar conjuntamente en proporciones variables para dar opciones de iluminación adicionales.

De hecho, el aparato comprende medios para ajustar el espectro de la luz emitida por la fuente de luz o por una pluralidad de fuentes de luz. Esto permite la posibilidad de "sintonizar" la salida espectral global de la (s) fuente (s) de luz, según sea necesario. Este podría ser un ajuste realizado para cada misión o se podría ajustar dinámicamente ya sea manualmente o bajo control programado o de retroalimentación. Por ejemplo una superficie de calibración que tiene características de reflectancia conocidas se podría implementar y usar un control de retroalimentación para alterar el espectro de salida dependiendo del espectro de la luz reflejada desde la superficie de calibración hasta que se consigue un espectro deseado. Un ejemplo no limitante de tal superficie de calibración es un disco de teflón blanco implementado en frente del generador de imágenes hiperespectrales a una distancia dada.

El generador de imágenes hiperespectrales se podría calibrar usando otros instrumentos, tales como un espectroradiómetro (no generador de imágenes)... [Seguir leyendo]

1. Un aparato (20; 44) para la colocación sobre o en una masa de agua (22) para generar imágenes hiperespectrales del material (24) en el agua, que comprende una fuente (52) de luz artificial, medios para ajustar el espectro de luz emitida por la fuente (52) de luz artificial, y un generador de imágenes hiperespectrales que están dispuestos de modo que, en uso, la luz de dicha fuente (52) de luz artificial sale del aparato debajo de la superficie del agua y es reflejada por dicho material antes de volver a entrar en el aparato debajo de la superficie del agua y entrar en dicho generador de imágenes hiperespectrales, en el que dicho generador de imágenes hiperespectrales está adaptado para producir datos de imágenes hiperespectrales que tienen por lo menos dos dimensiones espaciales, en el que el aparato comprende un sensor óptico y medios para estimar un coeficiente de atenuación espectral del agua ambiental usando una salida del sensor óptico, y en el que el aparato está dispuesto para usar tales estimaciones de un coeficiente de atenuación espectral para ajustar la salida espectral de la fuente de luz artificial de modo que un predeterminado espectro de luz llega a dicho material o para compensar la atenuación de la luz reflejada o emitida que vuelve al aparato.

2. Un aparato (20; 44) según la reivindicación 1 que comprende una pluralidad de filtros ópticos, que tiene cada uno una característica única de filtrado espectral, para ajustar el espectro de luz emitida por la fuente (52) de luz.

3. Un aparato (20; 44) según la reivindicación 1 o 2, en el que la fuente (52) de luz comprende una pluralidad de elementos (54) emisores de luz cada uno con diferente espectro de emisión, y en el que el aparato comprende medios para alterar la energía suministrada a los respectivos elementos emisores de luz para dar un requerido espectro de salida total.

4. Un aparato (20, 44) según la reivindicación 3, en el que los elementos emisores de luz comprenden diodos emisores de luz (54) .

5. Un aparato (20; 44) según cualquier reivindicación precedente, en el que el generador de imágenes hiperespectrales funciona usando espectrografía dispersiva.

6. Un aparato (20; 44) según cualquier reivindicación precedente dispuesto de modo que el movimiento del aparato por la masa de agua (22) permite observar continuamente un área de interés.

7. Un aparato (20; 44) según cualquier reivindicación precedente adaptado para ser totalmente sumergible.

8. Un método de observar material (24) debajo de la superficie de una masa de agua (22) que comprende:

Iluminar dicho material con una fuente (52) de luz artificial desde debajo de la superficie del agua;

recibir desde debajo de la superficie del agua luz reflejada de dicho material en un generador de imágenes hiperespectrales;

generando dicho generador de imágenes datos de imágenes hiperespectrales de dicho material, teniendo dichos datos de imágenes por lo menos dos dimensiones espaciales;

estimar un coeficiente de atenuación espectral del agua ambiental usando un sensor óptico y medios para estimar un coeficiente de atenuación espectral usando una salida del sensor óptico; y usar tales estimaciones de un coeficiente de atenuación espectral para ajustar la salida espectral de la fuente de luz artificial de modo que un predeterminado espectro de luz llega a dicho material o para compensar la atenuación de la luz reflejada o emitida que vuelve al aparato.

9. Un método según la reivindicación 8 que comprende la etapa adicional de usar el generador de imágenes hiperespectrales para determinar si se consigue un predeterminado espectro para la luz artificial.

10. Un método según la reivindicación 8 o 9 que comprende la etapa adicional de usar un sensor óptico para determinar si se consigue un predeterminado espectro para la luz artificial.

11. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10 que comprende la etapa adicional de colocar un filtro espectral en el camino de la luz artificial.

12. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 11 que comprende la etapa adicional de seleccionar elementos de iluminación de entre un conjunto de elementos (54) emisores de luz espectralmente distintos.

13. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 12, en el que el predeterminado espectro de luz comprende energía sustancialmente uniforme por todo el espectro visible.

14. Un método según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 13 que comprende adicionalmente: implementar una superficie de calibración que tiene conocidas características de reflectancia; y usar control de retroalimentación para alterar el espectro de luz emitida por la fuente (52) de luz dependiendo del

espectro de la luz reflejada por la superficie de calibración hasta que se consigue un espectro predeterminado.

15. Un método según la reivindicación 14 en el que la superficie de calibración es un disco blanco de teflón y en el que el disco se implementa enfrente del generador de imágenes hiperespectrales a una distancia dada.