ES2935543T3

ES2935543T3 - Un sensor remoto activo multiespectral

Info

Publication number: ES2935543T3
Application number: ES21703393T
Authority: ES
Inventors: Scott Buchter
Original assignee: Outsight SA
Current assignee: Outsight SA
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2021-02-01
Publication date: 2023-03-07
Anticipated expiration: 2041-02-01
Also published as: FI3928066T3; EP3928066A1; EP3928066B1; US20230053187A1; WO2021152168A1

Abstract

Una disposición de radiación para un dispositivo de detección remota activa multiespectral, que comprende: un transceptor (3), un detector (4) y un limitador de banda estrecha de longitud de onda ajustable (5). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Un sensor remoto activo multiespectral

Sector de la técnica

La invención se refiere a la detección multiespectral remota activa y, más particularmente, a los dispositivos LIDAR multiespectrales que adquieren datos en diferentes longitudes de onda para permitir el registro de una diversidad de reflectancia espectral de los objetos.

Estado de la técnica

Los sensores remotos activos multiespectrales incluyen una o más fuentes de iluminación que producen una radiación con múltiples longitudes de onda para iluminar un objeto, uno o más sensores para medir la radiación retrodispersada y analizar la respuesta espectral del objeto. Dichos sistemas se pueden configurar para explorar múltiples puntos en un espacio 2D o 3D y generar una trama, una imagen o una secuencia de tramas o imágenes. Cuando se analiza una gran cantidad de longitudes de onda, estos sensores remotos activos multiespectrales pueden denominarse sensores hiperespectrales.

El documento US2019/306386A1 trata sobre un filtro óptico para una cámara que es conmutable entre un estado de reflexión y un estado de transmisión. El filtro óptico incluye una pluralidad de cristales líquidos.

El documento WO2019/180019A1 trata sobre un dispositivo de exploración para la detección y localización por láser (LIDAR). El documento US6101034A trata sobre un aparato óptico multiespectral sintonizable.

Problema técnico

En la teledetección activa multiespectral tradicional, se transmiten y reciben diferentes longitudes de onda. La detección de la variedad de longitudes de onda se realiza secuencialmente, con un solo receptor, o en paralelo, con un número de receptores igual al número de longitudes de onda.

Estos planteamientos para capturar datos multiespectrales tienen defectos en términos de costes y rendimiento. De hecho, existe un equilibrio entre la información espacial y la información espectral. Cuanto más anchas sean las bandas de longitudes de onda, mejor será la información espacial: el nivel de energía de la radiación es mayor, lo que aumenta la relación entre señal y ruido. Esto se puede utilizar para mejorar la resolución espacial, el alcance de detección o la sensibilidad de los sistemas multiespectrales. Por el contrario, cuanto más estrechas sean las bandas de longitudes de onda, mejor será la resolución espectral. Esto se puede utilizar para mejorar la exactitud de la firma espectral para distinguir un material con firmas espectrales cercanas.

Objeto de la invención

Un objetivo de las realizaciones de la invención es mejorar tanto la información espacial como la información espectral en un sistema multiespectral de detección remota activa.

Para ello, en lugar de iluminar un objetivo con una pluralidad de radiaciones de banda estrecha, el objetivo se ilumina con radiaciones de banda ancha. El perfil espectral de las radiaciones de iluminación se analiza con el uso de filtros inversos de banda estrecha. En otras palabras, en lugar del filtrado de paso de banda del espectro para obtener un intervalo de longitudes de onda estrecho para la transmisión, se usa un filtro de "muesca" para eliminar una sola banda de longitud de onda del espectro de banda ancha. Para recuperar el espectro del objetivo, la secuencia de mediciones es similar al procedimiento de filtrado directo con la excepción de que se toma una medición utilizando el espectro completo que proporciona la energía de retorno total. A continuación, las mediciones se toman secuencialmente con una banda espectral eliminada de las transmisiones secuenciales cada vez (por ejemplo, ajustando secuencialmente la frecuencia del filtro de muesca).

En otras palabras, una clara ventaja de esta técnica es que casi toda la energía de radiación de banda ancha está disponible para las mediciones del intervalo. Por ejemplo, en el planteamiento del filtrado directo con 10 bandas estrechas, solo una décima parte de la energía total está disponible para las mediciones del intervalo. En el planteamiento inverso son 9/10 partes de la energía.

Concretamente, la divulgación proporciona una disposición de radiación para un dispositivo multiespectral de detección remota activa, que comprende:

un transceptor configurado para recibir un haz de radiación desde una fuente de radiación; el transceptor que está configurado además para emitir una parte transmitida del haz de radiación sobre un objetivo, y configurado además para recibir una parte reflejada del haz de radiación desde el objetivo; en el que el haz de radiación tiene un intervalo espectral de banda ancha,

un detector configurado para detectar un tiempo de vuelo y una potencia de radiación de la parte reflejada del haz de radiación; y

un tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable dispuesto en una trayectoria de radiación desde la fuente de radiación hasta el detector, en el que

el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable está configurado para transmitir el haz de radiación en todo el intervalo espectral excepto en una banda estrecha centrada en una longitud de onda seleccionada, en el que el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable está configurado además para establecer secuencialmente la longitud de onda seleccionada en otra longitud de onda del intervalo espectral, de manera que el detector recibe una potencia de radiación parcial, que es la potencia de radiación de la reflexión recibida del haz de radiación en todo el intervalo espectral excepto la banda estrecha centrada en dicha longitud de onda seleccionada, en el que el detector óptico está configurado además para detectar secuencialmente la potencia de radiación parcial junto con la longitud de onda seleccionada.

Hablando espectralmente, la disposición de radiación puede configurarse para explorar todo el intervalo espectral, de manera inversa, es decir, bloqueando sucesivamente las bandas estrechas dentro de todo el intervalo espectral. A diferencia de dicha manera inversa, un filtrado directo se refiere a explorar todo el intervalo espectral, de manera directa, es decir, transmitiendo sucesivamente las bandas estrechas dentro de todo el intervalo espectral.

Se entendería que una parte reflejada del haz de radiación se refiere a la reflexión retrodispersada o especular de la parte transmitida o una combinación de las mismas.

Una gran cantidad de diferentes dispositivos multiespectrales de detección remota activa pueden comprender una disposición tal como la disposición descrita anteriormente en el presente documento. Por ejemplo, el dispositivo multiespectral de detección remota activa puede ser un radar o un LIDAR.

Es decir, la disposición de radiación se puede aplicar a sistemas de imágenes multiespectrales en astronomía, agricultura, conducción autónoma, geociencias, geofísica, física y vigilancia, tal como sistemas LIDAR multiespectrales, telescopios basados en láser (por ejemplo, con una estrella guía láser). Las realizaciones también se pueden aplicar a sistemas de formación de imágenes multiespectrales en biología molecular, formación de imágenes sin contacto in vivo y formación de imágenes biomédicas tales como sistemas de microscopía multiespectral, espectrómetro de formación de imágenes, espectroscopio de formación de imágenes y herramientas de diagnóstico. Las realizaciones se pueden aplicar a sistemas multiespectrales con el propósito de encontrar objetos, identificar materiales basados en una firma espectral o procesos de detección. Gracias a la forma de exploración espectral inversa, se puede detectar la presencia de los objetos de campo lejano.

Los sistemas tradicionales de detección multiespectral remota activa funcionan para un intervalo relativamente corto. El sistema según las realizaciones de la invención puede funcionar en un intervalo mucho mayor para propósitos de detección. La información de la firma espectral puede estar disponible más allá de un determinado intervalo (o será ruidosa), pero el sistema al menos podrá detectar.

Dicha disposición puede comprender uno o más de los rasgos característicos siguientes o una combinación de los mismos. En la realización, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable está dispuesto en una trayectoria de radiación del haz de radiación desde la fuente de radiación hasta el transceptor.

Se puede entender que, en esta configuración, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable está dispuesto en el lado de transmisión de la detección multiespectral remota activa.

En la realización, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable está dispuesto en una trayectoria de radiación del haz de radiación desde el transceptor hasta el detector.

Se puede entender que, en esta configuración, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable está dispuesto en el lado receptor del LIDAR multiespectral.

En la realización, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable está configurado además para seleccionar secuencialmente un número N de la longitud de onda seleccionada, en el que N está comprendido entre 4 y 6.

En una realización, el dispositivo multiespectral de detección remota activa es un LIDAR multiespectral, en el que:

la disposición de radiación es una disposición óptica, y

la fuente de radiación es una fuente de láser, el haz de radiación que es un haz láser,

el transceptor es un transceptor óptico,

el detector que es un detector óptico, la potencia de radiación que es una potencia óptica, y la potencia de radiación parcial que es una potencia óptica parcial.

Por ejemplo, la técnica se puede implementar con un LIDAR multiespectral que comprende una fuente de láser de banda ancha y un solo receptor. Se puede aplicar ventajosamente al LIDAR multiespectral para la detección de campo lejano/largo alcance: de hecho, la configuración especial del LIDAR hace posible detectar objetivos ubicados a un alcance mayor en comparación con la técnica anterior. De hecho, la clara ventaja de una configuración de este tipo es que casi toda la energía láser de banda ancha está disponible para las mediciones del intervalo.

Gracias a esta técnica, los resultados son similares a los de un LIDAR multiespectral compuesto por una fuente láser que incluye un láser sintonizable, al mismo tiempo que conserva la sencillez y el bajo coste de una fuente de banda ancha.

El intervalo espectral podría ser básicamente cualquier cosa, desde los rayos ultravioleta hasta el infrarrojo lejano, por ejemplo, tan amplio como de 200 a 10000 nm. En una realización preferida,

En la realización, el intervalo espectral del haz láser es de aproximadamente 300 nm, entre 1400 nm y 1700 nm. En una realización, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable comprende un filtro por longitud de onda seleccionada, en el que el filtro es un filtro de muesca que tiene un valor de banda estrecha comprendido entre 9 nm y 20 nm, centrado en dicha longitud de onda seleccionada.

En una realización, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable comprende un filtro por longitud de onda seleccionada, en el que el filtro se selecciona de la lista que consiste en:

-un filtro de paso de banda con revestimiento duro que tenga un valor de densidad óptica de 4,0 y un valor de banda estrecha de 45 o 50 nm centrado en dicha longitud de onda seleccionada, o

-filtros dicroicos. *

Especialmente, los filtros de paso de banda OD 4 con revestimiento duro son ideales para eliminar el ruido de fondo no deseado y mejorar la relación entre señal y ruido para una variedad de aplicaciones de formación de imágenes. A diferencia de los filtros tradicionales, que requieren múltiples sustratos y revestimientos, estos filtros con revestimiento duro se fabrican con un solo sustrato. Los filtros dicroicos se usan típicamente en la reflexión, lo que significa reflejar longitudes de onda no deseadas, mientras transmiten la porción deseada del espectro. Estos filtros están diseñados para trabajar en un determinado ángulo de incidencia. En un escenario de este tipo, el intervalo de longitudes de onda específicas se refleja mientras se transmiten otras.

En una realización, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable comprende un filtro de muesca sintonizable en longitud de onda configurado para bloquear la banda estrecha centrada en una longitud de onda de muesca, en el que el filtro de muesca se controla para sintonizar la longitud de onda de la muesca en el valor de longitud de onda seleccionado.

En una realización, el filtro de muesca sintonizable en longitud de onda se basa en moduladores de cristal líquido. En una realización, el tope de banda estrecha con longitud de onda ajustable comprende filtros de muesca holográficos de volumen.

En una realización, el transceptor tiene una función de exploración espacial.

En una realización, el detector comprende un solo sensor de potencia de radiación.

La divulgación también proporciona un dispositivo multiespectral de detección remota activa que comprende una disposición como se describe anteriormente, que comprende además la fuente de radiación.

La fuente de láser de banda ancha puede ser, por ejemplo, una fuente de láser de estado sólido. En realizaciones, la fuente de láser de banda ancha no se limita a una fuente supercontinua. Podría ser cualquier luz de banda ancha espectral, tal como los láseres Raman, por ejemplo.

La divulgación también proporciona un procedimiento para su funcionamiento: una disposición como se describe anteriormente, o el dispositivo multiespectral de detección remota activa que comprende el mismo, el procedimiento que comprende:

- detectar, mediante el detector, una potencia de radiación total, que es la potencia óptica de la parte reflejada del haz de radiación en todo el intervalo espectral, y

- detectar, mediante el detector, la potencia de radiación parcial asociada a una longitud de onda seleccionada, a continuación,

calcular una potencia de radiación de la banda asociada a dicha longitud de onda seleccionada, mediante una comparación de la potencia de radiación total y la potencia de radiación parcial.

La divulgación proporciona además un vehículo que comprende una disposición como se describe anteriormente. Descripción de las figuras

Otros rasgos característicos, detalles y ventajas se mostrarán en la siguiente descripción detallada y en las figuras, en las que:

La figura 1 representa esquemas de espectros de banda ancha para dos tipos diferentes de filtrado.

La figura 2 ilustra esquemáticamente la transmisión espectral de un filtro de muesca sintonizable.

La figura 3 es un esquema funcional óptico de un dispositivo LIDAR multiespectral según una primera realización, en el que se dispone un filtro de muesca sintonizable en el lado receptor, con ilustraciones del espacio espectral en diferentes etapas de propagación de un pulso de banda ancha inicial.

La figura 4 es una vista esquemática funcional óptica de un dispositivo LIDAR multiespectral según una segunda realización, en el que se dispone un filtro de muesca sintonizable en el lado de transmisión.

La figura 5 representa un esquema de la variación del índice de refracción en función de la profundidad en filtros dieléctricos y holográficos.

La figura 6 representa esquemáticamente la medida supuesta, después de la reflexión sobre un primer objetivo, de los valores de potencia óptica filtrados mediante filtros de transmisión tradicionales y el ruido asociado.

La figura 7 representa esquemáticamente lo mismo que la figura 6 para un segundo objetivo y las comparaciones de ruido asociadas.

La figura 8 representa esquemáticamente la incertidumbre en la comparación de la reflexión sobre el primer objetivo y sobre el segundo objetivo.

La figura 9 representa esquemáticamente la medida supuesta, después de la reflexión sobre el primer objetivo, de los valores de potencia óptica filtrados mediante filtros de bandas de bloqueo y el ruido asociado.

La figura 10 representa esquemáticamente lo mismo que la figura 9 para el segundo objetivo y las comparaciones de ruido asociadas.

La figura 11 representa un gráfico de resultados de una primera simulación, que muestra la verdadera relación positiva sobre la relación entre señal y ruido SNR para el filtrado tradicional y para el filtrado de muesca.

La figura 12 representa un gráfico de resultados de una segunda simulación, que muestra la verdadera relación positiva sobre la relación entre señal y ruido SNR para el filtrado tradicional y para el filtrado de muesca.

Descripción detallada de la invención

Las figuras y la siguiente descripción detallada contienen, fundamentalmente, algunos elementos exactos. Se pueden utilizar para mejorar la comprensión de la invención y, también, para definir la invención si es necesario. En aras de la concisión, los elementos que son similares o equivalentes durante toda la descripción se describirán con referencia a los mismos números de referencia.

Con referencia a la figura 1, se explicará un principio implementado a continuación. Se puede referir a este principio como "filtrado inverso".

La figura 1 representa dos esquemas de espectros de banda ancha.

El esquema 10 de la izquierda corresponde a un espectro en el caso de que se realice un filtrado para transmitir solo una parte del espectro de banda estrecha, como se configura tradicionalmente, por ejemplo, en los LIDAR multiespectrales.

De hecho, en los LIDAR multiespectrales, se requiere asociar información espectral, que es el tiempo de vuelo TOF y la potencia óptica, a una longitud de onda específica Ak del espectro de banda ancha. Por lo tanto, se realiza un filtrado espectral, en el que el filtrado tiene un ancho de banda correspondiente a la parte de banda estrecha del espectro y se centra en la longitud de onda específica.

Como se puede ver en la figura, una señal 12 medida en este caso es de banda estrecha, centrada en la longitud de onda específica Ak. Por lo tanto, la energía total medida es baja porque la mayor parte de la luz es luz 13 rechazada. Por el contrario, el esquema 11 de la derecha corresponde a un espectro en el caso de que el filtrado se realice para bloquear solo una parte del espectro de banda estrecha, centrado en la longitud de onda específica Ak, mientras transmite el resto del espectro de banda ancha.

Como puede verse, una señal 12 medida en este caso es de banda ancha. Por lo tanto, la energía total medida es alta porque la luz 13 rechazada en este caso es de banda estrecha.

Esta última técnica se utilizará en las disposiciones ópticas siguientes para LIDAR multiespectrales como se describe a continuación.

Por ejemplo, para deducir la potencia óptica en una longitud de onda específica Ak del espectro de banda ancha, se puede medir tanto:

- una potencia óptica desbloqueada en todo el espectro de banda ancha, sin ningún bloqueo de banda estrecha, y

- una potencia óptica bloqueada en todo el espectro de banda ancha, con un bloqueo de banda estrecha en la longitud de onda específica Ak.

A continuación, se puede deducir la potencia óptica en la longitud de onda específica Ak del espectro de banda ancha mediante una comparación de la potencia óptica desbloqueada y la potencia óptica bloqueada.

En general, se puede utilizar cualquier tipo de bloqueador de banda estrecha para realizar dicho filtrado inverso. Un bloqueador de banda estrecha de este tipo también puede denominarse, por ejemplo, filtro eliminabanda o filtro de rechazo de banda, y es un filtro que deja pasar la mayoría de las frecuencias inalteradas, pero atenúa aquellas en un intervalo específico a niveles muy bajos.

Para aplicaciones multiespectrales, se utilizarían, por ejemplo, filtros de muesca. Un filtro de muesca es un filtro eliminabanda con una banda rechazada estrecha, es decir, un factor Q alto.

La figura 2 ilustra esquemáticamente la transmisión espectral de un filtro de muesca sintonizable que se puede usar en disposiciones ópticas para LIDAR multiespectrales, para realizar el bloqueo de banda estrecha como se describe anteriormente.

Un filtro sintonizable es un filtro en el que determinados parámetros del filtro son sintonizables, ya sea manualmente o con un sistema de control electrónico. Aplicados a los filtros de muesca, los parámetros ajustables pueden ser específicamente:

- la longitud de onda central de la banda estrecha, que se puede variar; y,

- en algunos casos, el ancho de banda Ak de dicha banda estrecha.

Con fines ilustrativos, se puede ver en la figura que la transmisión es baja en la parte de banda estrecha del espectro que estaba centrado en la longitud de onda específica Ak. En otras palabras, la atenuación es alta en dicha parte de banda estrecha del espectro.

En aras de la clarificación, dicha banda estrecha también puede denominarse eliminabanda o "muesca", y la longitud de onda central de la banda estrecha también puede denominarse longitud de onda bloqueada.

Una segunda eliminabanda centrada en una segunda longitud de onda Ak⁺¹se ilustra como aclaración. Según se representa con la flecha 14, el bloqueo espectral se puede desplazar desde la primera longitud de onda Ak a la segunda longitud de onda Ak⁺¹haciendo funcionar el filtro de muesca sintonizable para que establezca la longitud de onda bloqueada desde la primera longitud de onda Ak a la segunda longitud de onda Ak⁺¹.

Ventajosamente, al seleccionar sucesivamente diferentes longitudes de onda específicas Ak, Ak⁺¹para k=1 a N, según se representa en la figura con el ejemplo de dos longitudes de onda específicas Ak, Ak⁺¹, se puede explorar espectralmente, mediante filtrado inverso, todo el espectro de banda ancha.

Basándose en investigaciones y simulaciones, un número N seleccionado en el intervalo de 4 a 6 eliminabandas, en un ancho de banda de 300 nm que se extiende desde 1400 a 1700 nm, parece ser suficiente para aplicaciones de automoción en las que se usa un LIDAR multiespectral para detectar la información del intervalo y espectral con respecto a los alrededores del vehículo.

Cabe señalar que, ventajosamente, una sola medición de la potencia óptica en todo el espectro de banda ancha, sin ningún bloqueo de banda estrecha, es suficiente para deducir la potencia óptica de cualquier longitud de onda específica, cuando las mediciones se realizan para un mismo objetivo en la misma dirección.

Existen diferentes tipos de filtros de muesca sintonizables que se pueden usar para la aplicación LIDAR multiespectral. Por ejemplo, un tipo son los filtros de muesca sintonizables basados en moduladores de cristal líquido, un tipo de moduladores ópticos que se basan en cristales líquidos. Los cristales líquidos son sustancias que son líquidas, pero no ópticamente isotrópicas, lo cual es inusual para los líquidos. Contienen moléculas largas que tienen tendencia a alinearse entre sí, y esa orientación preferencial da lugar a unas propiedades ópticas anisotrópicas. La orientación de esas moléculas se puede manipular con un campo eléctrico aplicado: tienden a alinearse en una dirección paralela a las líneas de campo.

Finalmente, la ventaja es hacer posible el ajuste en tiempo real de la longitud de onda filtrada en una amplia región espectral (típicamente visible más infrarrojo, como un intervalo de 300 a 1000 nm). En cuanto al rendimiento, fuera de la banda de la longitud de onda de la muesca, también hay una alta transmitancia.

Por ejemplo, algunos filtros de muesca sintonizables de cristal líquido están disponibles en Kent Optronics: http:// www.kentoptronics.com/nptnf.html.

Un primer LIDAR 1 multiespectral que funciona según el principio de filtrado inverso y que comprende un filtro de muesca sintonizable como se describe anteriormente se muestra esquemáticamente en la figura 3.

Según se representa, el LIDAR 1 multiespectral comprende una fuente 2 de láser configurada para transmitir un haz 15 láser de banda ancha como se muestra en el espectro 7.

El LIDAR 1 multiespectral comprende además un transceptor 3 óptico dispuesto para recibir el haz 15 láser de banda ancha desde la fuente 2 de láser. El transceptor 3 de haz óptico comprende un transmisor óptico para emitir el haz 15 láser de banda ancha recibido. Más específicamente, el transceptor 3 de haz óptico comprende una unidad de exploración espacial para dirigir el haz 15 láser de banda ancha recibido hacia un objetivo 6 en una dirección seleccionada. A continuación, el haz 15 láser se refleja, o se retrodispersa, mediante el objetivo 6. El transceptor 3 óptico comprende además un receptor óptico que está configurado para recibir una parte reflejada y/o retrodispersada del haz 15 láser desde el objetivo 6. En los párrafos siguientes, dicha parte reflejada y/o retrodispersada se denominará señal 16 de retorno. Según se representa con la flecha 8, el receptor óptico está configurado para transmitir toda la señal 16 de retorno a un filtro 5 de muesca sintonizable.

El LIDAR 1 multiespectral comprende además el filtro 5 de muesca sintonizable. El filtro 5 de muesca sintonizable está configurado para establecer sucesivamente la longitud de onda bloqueada en 5 valores predefinidos separados espectralmente entre sí por 60 nm. Por lo tanto, la señal 16 de retorno se filtra sucesivamente para eliminar las bandas de bloqueo correspondientes a la longitud de onda bloqueada.

El LIDAR 1 multiespectral comprende además un sensor 4 óptico de banda ancha, que está dispuesto para integrar la potencia óptica de la señal 9 de retorno filtrada, para cada una de las sucesivas longitudes de onda bloqueadas. El LIDAR 1 multiespectral está además configurado para sincronizar el sensor 4 óptico de banda ancha con la fuente 2 de láser para detectar un TOF.

El LIDAR 1 multiespectral está además configurado para comparar la potencia óptica integrada de la señal 9 de retorno filtrada con una potencia óptica integrada del haz 15 láser de banda ancha sin filtrar.

Dicho LIDAR multiespectral tiene varias ventajas en comparación con los LIDAR multiespectrales tradicionales. Es decir, gracias al filtrado inverso, la potencia óptica detectada que es mayor resulta posible detectar objetos en intervalos espaciales que no estaban disponibles mientras se mantiene la sencillez y el coste de una sola fuente láser de banda ancha y un solo sensor óptico de banda ancha.

Un segundo LIDAR multiespectral, que es una variante del primer LIDAR 1 multiespectral representado en la figura 3, se representa esquemáticamente en la figura 4.

Una diferencia importante entre el primer y el segundo LIDAR 1 multiespectral es que el filtro 5 de muesca sintonizable está dispuesto en la trayectoria óptica de recepción en el primer LIDAR 1 multiespectral, mientras que el filtro 5 de muesca sintonizable está dispuesto en la trayectoria óptica de transmisión en el segundo multiespectral LIDAR 1.

Como se muestra, el haz 15 láser de banda ancha emitido desde la fuente 2 de láser se filtra con el filtro 5 de muesca sintonizable, y el haz filtrado 17 se transmite con el transceptor 3 óptico al objetivo 6. El haz 18 filtrado reflejado se recibe con el transceptor 3 óptico y se transmite al sensor 4 óptico de banda ancha.

Están disponibles otras variantes para organizar LIDAR multiespectrales según los mismos principios.

Es decir, se puede contemplar el uso de otro tipo de filtros de bandas de bloqueo, o asociación de filtros de bandas de bloqueo, por ejemplo, como se describe a continuación.

Por ejemplo, se pueden usar filtros de paso de banda de película delgada utilizados en la reflexión, que se pueden seleccionar, por ejemplo, entre los disponibles en Edmund Optics: https://www.edmundoptics.com/f/hard-coated-od-4-50nm-bandpass-filters/14321/.

Los filtros de paso de banda delgados están diseñados para transmitir de forma selectiva una parte del espectro mientras rechazan otras longitudes de onda. Los filtros de paso de banda ópticos son ideales para una variedad de aplicaciones, tales como microscopía de fluorescencia, espectroscopía, química clínica o formación de imágenes. Estos filtros se utilizan normalmente en las ciencias de la vida, industrial o industrias de I+D. Estos filtros ofrecen bandas de rechazo estrechas con gran reflexión de la longitud de onda láser designada.

Especialmente, los filtros de paso de banda OD 4 con revestimiento duro son ideales para eliminar el ruido de fondo no deseado y mejorar la relación entre señal y ruido para una variedad de aplicaciones de formación de imágenes. A diferencia de los filtros tradicionales, que requieren múltiples sustratos y revestimientos, estos filtros con revestimiento duro se fabrican con un solo sustrato.

Los filtros dicroicos se usan típicamente en la reflexión, lo que significa reflejar longitudes de onda no deseadas, mientras transmiten la porción deseada del espectro. Estos filtros están diseñados para trabajar en un determinado ángulo de incidencia. En un escenario de este tipo, el intervalo de longitudes de onda específicas se refleja mientras se transmiten otras, como se describe en la imagen siguiente.

De hecho, a diferencia de los filtros absorbentes, los filtros dicroicos son extremadamente sensibles al ángulo. Cuando se utilizan en cualquier ángulo fuera de su diseño previsto, los filtros dicroicos no pueden cumplir con las especificaciones de transmisión y longitud de onda indicadas originalmente.

Por ejemplo, se pueden utilizar filtros de muesca de película fina utilizados en la transmisión, tales como por ejemplo los disponibles en Edmund Optics: https://www.edmundoptics.com/c/notch-f¡lters/689/#. o de Semrock: https://www.semrock.com/f¡ltersRefined.aspx?¡d=18&page=1&so=0&recs=10.

En la transmisión, hay un bloqueo profundo de un intervalo de longitud de onda estrecho mientras que hay una transmisión amplia de las otras longitudes de onda. Esto debe habilitarse mediante un filtro de muesca, también conocido como filtro eliminabanda o filtro de rechazo de banda. Estos filtros rechazan/atenúan las señales en una banda de frecuencia específica llamada intervalo de frecuencia de la eliminabanda y pasan las señales por encima y por debajo de esta banda. Pueden verse como un inverso de un filtro de paso de banda. En comparación con los filtros eliminabanda comunes, un filtro de muesca es un filtro eliminabanda con una banda rechazada estrecha, como en la figura siguiente.

Los filtros de muesca ópticos permiten una banda rechazada estrecha, por eso pueden ayudar en la medición de la concentración de la biomasa, el crecimiento de un cultivo de microorganismos y otras técnicas analíticas dentro de la industria de las ciencias de la vida.

La densidad óptica juega un papel importante en la determinación de la fuerza de un filtro de muesca. De hecho, al igual que otros filtros, un filtro de muesca también se puede diseñar para diversos niveles de rechazo, que típicamente se especifican en términos de densidad óptica. La densidad óptica se define por un valor numérico que coincide con un porcentaje de transmisión a través de un medio dado. Con alta densidad óptica, hay un bloqueo casi completo en la banda rechazada designada.

Por ejemplo, se pueden usar filtros de muesca holográfica de volumen, como por ejemplo los disponibles de Kaiser Optical Systems: https://www.kosi.com/na en/products/holographic-filters/notch-filters/standard-products.php Un elemento óptico holográfico es un elemento óptico (como una lente, un filtro, un divisor de haz o una rejilla de difracción) que se produce mediante los principios o procesamientos de imágenes holográficas. Se utilizan comúnmente en aplicaciones de optoelectrónica. Especialmente, los filtros de muesca holográfica están reemplazando a los filtros dieléctricos en determinados sistemas ópticos que incorporan fuentes de láser de una sola línea.

Los filtros de muesca holográficos se fabrican iluminando una película de gelatina bicromada con dos rayos láser que forman un patrón de interferencia. Los filtros de muesca dieléctricos se fabrican depositando dos componentes en capas alternas.

Como se muestra esquemáticamente en la figura 5, el perfil de variación del índice de refracción n sobre el espesor de la película (|jm) es diferente en función del filtro:

el perfil 19 es de onda cuadrada en el filtro de pila dieléctrica,

el perfil 20 es sinusoidal en el filtro de borde holográfico,

el perfil 21 es sinusoidal en el filtro de muesca holográfico, con menor amplitud de variación que el perfil 20.

El resultado de esto es que los filtros holográficos están libres de bandas de reflexión externas y proporcionan umbrales de daño por láser significativamente más altos.

En cuanto al diseño/construcción, en el intervalo de longitud de onda especificado (488 a 1400 nm para Kaiser Optical Systems), estos productos tienen unas especificaciones de rendimiento excelentes, es decir, una transmisión muy baja en la banda de longitud de onda de la muesca junto con una banda extremadamente estrecha.

Se puede observar que, al seleccionar un filtro de bandas de bloqueo, se pueden realizar algunas compensaciones y mejoras de rendimiento. Por ejemplo, las bandas espectrales más estrechas pueden ofrecer una mejor discriminación de los materiales, pero a expensas de necesitar más mediciones (tiempo) para construir el espectro. En aplicaciones de automoción en tiempo real, esto es un inconveniente, pero no necesariamente en minería, agricultura, etc.

Las figuras 6 a 10 representan un análisis cualitativo para explicar un procedimiento de simulación seguido para simular el rendimiento del filtrado inverso aplicado a los LIDAR multiespectrales.

En aras de la simplificación, según se representa en la figura 6, se suponen tres canales 22, 23 y 24 espectrales, definidos por filtros de paso de banda rectangulares perfectos, dentro de un intervalo espectral definido. Los filtros son filtros tradicionales, es decir, los filtros transmiten solo una banda espectral definida mientras bloquean el resto del intervalo espectral. Ahora se supone que se envía un haz de banda ancha perfecto a un primer objetivo que tiene un perfil de reflexión espectralmente uniforme.

Por lo tanto, se supone que la energía total respectiva A1, B1 y C1 del canal 22, 23 y 24 espectral respectivo se mide a un valor de energía igual 25, cada uno con una incertidumbre de ruido. El ruido se representa con un rectángulo 27 y representa, en aras del realismo, determinada incertidumbre de las mediciones, que se supone que es puramente estadística. Por lo tanto, se puede representar para cada canal un valor de ruido igual 26. Por lo tanto, el ruido no depende de la intensidad de la señal, lo cual es realista para las mediciones de objetivos lejanos.

Ahora se supone que el mismo haz de banda ancha perfecto se envía a un segundo objetivo que tiene un perfil de reflexión espectralmente desigual, en el que el segundo objetivo refleja un poco más en el canal 22 y un poco menos en el canal 24.

La figura 7 representa la energía total A1, B1 y C1 reflejada por el primer objetivo, y la energía total A2, B2 y C2 reflejada por el segundo objetivo bajo los mismos supuestos.

Se puede ver que, para identificar una diferencia AA entre la energía medida A1 reflejada por el primer objetivo y la energía medida A2 reflejada por el segundo objetivo (ídem para AB o AC), la diferencia AA del valor de la energía en cualquiera de los canales espectrales debe ser mayor que el valor del ruido 26.

Sin embargo, matemáticamente, cuando se suman números aleatorios no correlacionados, se suman cuadráticamente, según se representa en las ecuaciones y las ecuaciones esquemáticas de la figura 8, en el que u representa la incertidumbre. Se puede ver que el ruido 26 representado por un rectángulo 27 conlleva una incertidumbre 28 sobre la diferencia AA.

Por el contrario, como se muestra en la figura 9, se suponen tres canales 22, 23 y 24 espectrales, definidos por filtros de bandas de bloqueo rectangulares perfectos. Por ejemplo, se supone que se utilizan filtros de muesca. Los objetivos y otros supuestos son similares a los de las figuras 6 a 8.

También se supone que el ruido es el mismo, porque es realista suponer que el ruido está dominado por el ruido de lectura.

La potencia óptica medida para el primer canal espectral es igual a B1+C1, porque transmite todo el espectro menos el canal 22 espectral bloqueado. Por lo tanto, la potencia óptica A1 está bloqueada. Se realiza el mismo razonamiento para los canales 23 y 24 espectrales bloqueados.

La figura 10 ilustra los resultados siguiendo los mismos supuestos para los filtros 29 tradicionales y para los filtros 30 de bandas de bloqueo. En aras de la comparación, los esquemas de las potencias ópticas en el caso de los filtros 29 tradicionales se reiteran arriba de los esquemas correspondientes a los filtros 30 de banda de bloqueo.

Como conclusión de este análisis cualitativo presentado, se puede ver que incluso cuando se miden señales más grandes con filtros de muesca, los rasgos característicos que se intentan distinguir siguen siendo del mismo tamaño. Es decir, la incertidumbre 28 sobre la diferencia A(B+C) en un único canal 22 espectral con filtrado de bloqueo es la misma que la incertidumbre de la diferencia AA en el mismo único canal 22 con filtrado tradicional.

Por lo tanto, con unidades ópticas similares a las de la fuente de banda ancha del ejemplo, y mismo ancho de banda de canales espectrales, el hecho de utilizar un filtrado de bloqueo no implica una mayor incertidumbre en las mediciones.

Las figuras 11 y 12 representan las gráficas de los resultados de dos simulaciones, mostrando la verdadera relación positiva sobre la relación entre señal y ruido SNR, para el filtrado 31 tradicional, en transmisión, y para el filtrado 32 de muesca, por bloqueo de banda.

Las simulaciones se realizaron bajo las condiciones siguientes:

- Se realizaron simulaciones en 14 objetivos de diferentes materiales y se realizaron 400 mediciones de la potencia óptica en un espectro definido por objetivo.

- Los espectros se ponderan con las funciones de paso de banda de los filtros y se suman, después se añade el ruido.

- El valor de SNR es para un reflector del 10 % para una señal de ancho de banda completo, por lo que la verdadera SNR por banda sería menor.

En la figura 11 se puede ver una primera simulación, en la que se supone que el ruido es constante, por ejemplo, no depende del nivel de la señal. Por el contrario, en la segunda simulación representada en la figura 12, se supone que una fracción del ruido también depende del nivel de la señal. En esta última simulación, se puede ver que el filtrado 31 de la transmisión supera al filtrado 32 de muesca, pero solo ligeramente.

En aras de la precisión, cabe observar que se ha utilizado un trazador de ángulo espectral para identificar los espectros. De hecho, un trazador de ángulo espectral es robusto, repetible y rápido y permite comparar el rendimiento de los filtros. Las tasas de identificación aumentarían con algún otro procedimiento de clasificación. Obsérvese además que la relación positiva verdadera (TPR, por sus siglas en inglés) se aplica a los 14 objetivos. En la práctica, algunos espectros son más fáciles de distinguir que otros. Para una mejor TPR, los materiales de los objetivos se pueden combinar en clases.

Como conclusiones de las simulaciones, obsérvese que un filtro de muesca supera a cualquier otro procedimiento de filtrado en la medición de la distancia.

La distancia de identificación espectral sigue siendo similar para los filtros de paso de banda y de muesca, cuando se tiene en cuenta el ruido constante. El ruido dependiente de la intensidad favorece el paso de banda.

Con el filtro de paso de banda, la señal de referencia de la misma banda se registra simultáneamente.

Con los filtros de muesca, se registra la referencia de varias bandas, lo que hace que la variabilidad espectral por banda espectral sea ambigua. Por lo tanto, se necesita una mejor estabilidad espectral supercontinua para el filtro de muesca.

Los lídares de la competencia especifican la distancia de medición (p. ej., 100 m) y la distancia de identificación de los objetos (p. ej., 60 m). En nuestro caso, la distancia de medición y la distancia de identificación también serán diferentes.

El análisis anterior divulga y describe meramente las realizaciones ejemplares de la presente invención. Un experto en la técnica reconocerá fácilmente a partir de dicho análisis y de los dibujos y reivindicaciones adjuntos que se pueden realizar diversos cambios, modificaciones y variaciones en los mismos sin apartarse del alcance de la invención tal como se define en las reivindicaciones siguientes.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una disposición de radiación para un dispositivo multiespectral de detección remota activa, que comprende:

un transceptor (3) configurado para recibir un haz de radiación desde una fuente (2) de radiación; que está configurado además el transceptor (3) para emitir una parte transmitida del haz de radiación sobre un objetivo (6), y configurado además para recibir una parte reflejada del haz de radiación desde el objetivo (6); en el que el haz de radiación tiene un intervalo espectral de banda ancha,

un detector (4) configurado para detectar un tiempo de vuelo y una potencia de radiación de la parte reflejada del haz de radiación; y

caracterizado por que

la disposición de radiación comprende además un tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable dispuesto en una trayectoria de radiación desde la fuente (2) de radiación hasta el detector (4), en el que

el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable está configurado para transmitir el haz de radiación en todo el intervalo espectral excepto una banda estrecha centrada en una longitud de onda seleccionada (A_k),

en el que el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable está configurado además para establecer secuencialmente la longitud de onda seleccionada (A_k) en otra longitud de onda (A_k+1), del intervalo espectral, de modo que el detector (4) recibe una potencia (11) de radiación parcial, que es la potencia de radiación de la reflexión recibida del haz de radiación en todo el intervalo espectral menos la banda estrecha centrada en dicha longitud de onda seleccionada,

en el que el detector óptico (4) está además configurado para detectar secuencialmente la potencia de radiación parcial junto con la longitud de onda seleccionada.

2. Una disposición de radiación según la reivindicación 1, en la que el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable está dispuesto en una trayectoria de radiación del haz de radiación desde la fuente (2) de radiación hasta el transceptor (3).

3. Una disposición de radiación según la reivindicación 1, en la que el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable está dispuesto en una trayectoria de radiación del haz de radiación desde el transceptor (3) hasta el detector (4).

4. Una disposición según una de las reivindicaciones 1 a 3, en la que el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable está además configurado para seleccionar secuencialmente un número N de la longitud de onda seleccionada, en el que N está comprendido entre 4 y 6.

5. Una disposición según una de las reivindicaciones 1 a 4, en la que el dispositivo multiespectral de detección remota activa es un LIDAR (1) multiespectral, en el que:

la disposición de radiación es una disposición óptica, y

la fuente de radiación es una fuente (2) de láser, el haz de radiación que es un haz láser,

el transceptor es un transceptor (3) óptico,

el detector que es un detector (4) óptico, la potencia de radiación que es una potencia óptica, y la potencia de radiación parcial que es una potencia óptica parcial.

6. Una disposición según la reivindicación 5, en la que el intervalo espectral del haz láser es de aproximadamente 300 nm, entre 1400 nm y 1700 nm.

7. Una disposición según la reivindicación 5 o 6, en combinación con la reivindicación 2, en la que el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable comprende un filtro por longitud de onda seleccionada, en el que el filtro es un filtro de muesca que tiene un valor de banda estrecha comprendido entre 9 nm y 20 nm, centrado en dicha longitud de onda seleccionada.

8. Una disposición según la reivindicación 5 o 6, en combinación con la reivindicación 3, en la que el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable comprende un filtro por longitud de onda seleccionada, en el que el filtro se selecciona de la lista que consiste en:

- un filtro de paso de banda con revestimiento duro que tenga un valor de densidad óptica de 4,0 y un valor de banda estrecha de 45 o 50 nm centrado en dicha longitud de onda seleccionada, o

- filtros dicroicos.

9. Una disposición según la reivindicación 5 o 6, en la que el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable comprende un filtro de muesca sintonizable en longitud de onda configurado para bloquear la banda estrecha centrada en una longitud de onda de muesca, en el que el filtro de muesca se controla para sintonizar la longitud de onda de la muesca en el valor de longitud de onda seleccionado.

10. Una disposición según la reivindicación 9, en la que el filtro de muesca sintonizable en longitud de onda se basa en moduladores de cristal líquido.

11. Una disposición según la reivindicación 5 o 6, en la que el tope (5) de banda estrecha con longitud de onda ajustable comprende filtros de muesca holográficos de volumen.

12. Una disposición según una de las reivindicaciones 1 a 11, en la que el transceptor tiene una función de exploración espacial.

13. Una disposición según una de las reivindicaciones 1 a 12, en la que el detector (4) comprende un único sensor de potencia de radiación.

14. Un dispositivo multiespectral de detección remota activa que comprende una disposición según una de las reivindicaciones 1 a 13, que comprende además la fuente (2) de radiación.

15. Procedimiento de funcionamiento: una disposición según una de las reivindicaciones 1 a 13, o el dispositivo de detección multiespectral remota activa según la reivindicación 14, el procedimiento que comprende: - detectar, mediante el detector (4), una potencia de radiación total, que es la potencia óptica de la parte reflejada del haz de radiación en todo el intervalo espectral, y

- detectar, mediante el detector (4), la potencia de radiación parcial asociada a una longitud de onda seleccionada (A_k), a continuación

calcular una potencia de radiación de la banda asociada a dicha longitud de onda seleccionada (A_k), mediante una comparación de la potencia de radiación total y la potencia de radiación parcial.