Как гиперспектральная съемка с помощью сенсоров Corning позволяет увидеть невидимое

Группировка спутников глобального гиперспектрального наблюдения (GHOSt). (Изображение: Orbital Sidekick)

Новые спутники, оснащенные передовой технологией гиперспектральной визуализации Corning, могут обнаруживать утечки в трубопроводах и другие экологические проблемы, обеспечивая возможности точного мониторинга и исследования для предприятий и правительств.

В свете борьбы с изменением климата, чем раньше мы сможем обнаружить угрозы здоровью нашей планеты, тем быстрее мы сможем их устранить. Эта работа особенно важна в нефтегазовой отрасли. Поскольку трубопроводы пересекают континенты, раннее обнаружение вредных утечек парниковых газов имеет важное значение для снижения рисков и обеспечения непрерывной и эффективной работы. Именно с этой проблемой стартап из Кремниевой долины Orbital Sidekick (OSK) обратился к компании Corning при создании группировки спутников глобального гиперспектрального наблюдения (GHOSt) в 2023 году. Каждый из шести космических аппаратов в группировке спутников оснащен датчиком Corning, который может обнаруживать уникальные спектральные сигнатуры от источников парниковых газов и обрабатывать данные в режиме реального времени.

Компания Corning известна своими глубокими знаниями в области передовой оптики для аэрокосмической, полупроводниковой промышленности, спектрометрии, прецизионной обработки и производства. Этот опыт основан на ключевых компетенциях Corning в области стекла и керамики. Эти компетенции включают в себя создание защитных стекол на многих потребительских электронных устройствах, подложек и фильтров, используемых в автомобильных системах контроля выбросов, и многие другие технические инновации. Компания Corning также знает, как свет распределяется по спектрам и как он проходит через различные материалы или в различных средах, и именно этот опыт команда Corning использует для предоставления услуг таким клиентам, как OSK.

Спутник GHOSt ожидает запуска с помощью ракеты SpaceX. (Изображение: Orbital Sidekick)

Миссия OSK: использовать спутниковые технологии для мониторинга нефтяных и газовых трубопроводов на предмет утечек, в частности, утечек метана – парникового газа, который может быть более мощным поглотителем тепла, чем углекислый газ. Чем раньше будет обнаружена проблема, тем быстрее OSK сможет сообщить об этих угрозах своим клиентам для принятия быстрых мер. Для выполнения этой миссии потребовалась команда квалифицированных инженеров из предприятия Corning в Кине, штат Нью-Гэмпшир, для разработки одних из самых передовых гиперспектральных датчиков, существующих на сегодняшний день. Эти датчики регистрируют отраженный свет в 500 спектральных каналах, что позволяет получить в 100 раз больше спектральной информации, чем традиционные спутники.

КАК РАБОТАЕТ ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫЙ СЕНСОР CORNING

Гиперспектральный датчик Corning является мощным инструментом, который предоставляет критически важную информацию аналитической команде OSK, которая затем может получить характерные спектральные «отпечатки пальцев», оставленные такими материалами, как вода, метан или кукуруза. Уникальная спектральная сигнатура материала основана на том, как он отражает или излучает электромагнитную энергию, также известную как световые волны.

В то время как человеческий глаз может видеть только световые волны с длиной волны от 450 до 700 нанометров, гиперспектральные датчики Corning охватывают весь спектральный диапазон от 400 до 2500 нанометров, включая инфракрасные и ультрафиолетовые световые волны. Эта технология помогает клиентам увидеть то, что осталось бы незамеченным при использовании менее продвинутых технологий. Датчик, оснащенный запатентованным спектрографом Corning, разбивает входящий свет от одного материала на составляющие цвета, подобно призме, с помощью высококачественных механических щелей и решеток с алмазной обработкой.



СПЕКТРОГРАФЫ ОБЛАДАЮТ ТРЕМЯ ЯВНЫМИ ПРЕИМУЩЕСТВАМИ:

Все спектральные данные для каждого пикселя собираются одновременно, а не последовательно, тем самым уменьшая недостаточную дискретизацию целевой области. Спектрограф обладает высокой светособирающей способностью с быстрым f/#, без угловой чувствительности. Спектрограф обеспечивает высокую спектральную точность при минимальном спектрально-пространственном смешении.

После сбора данных датчиком Corning и их передачи обратно на Землю программные инструменты OSK обрабатывают изображения таким образом, чтобы обеспечить точное определение характеристик конкретных материалов. Orbital Sidekick теперь может обследовать весь трансконтинентальный трубопровод за часы, а не недели. Только в этом году компания будет контролировать 124 000 километров трубопроводов и уже начинает выявлять и сообщать о предполагаемых утечках метана, жидких углеводородов и вторжениях, таких как строительство, которые могут вызвать утечки.

ГИПЕРСПЕКТРАЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В КОСМОСЕ

Традиционно технологии Corning используются в сельском хозяйстве, здравоохранении и промышленности. В отличие от этих наземных приложений, применение на низкой околоземной орбите сопряжено с уникальными проблемами. Главным из них является создание высокопроизводительной и надежной оптики, которая может поддерживать работоспособность во время запуска в космос – одного из самых стрессовых событий, которым может подвергнуться система. Гиперспектральные датчики Corning для низкоорбитальных измерений производятся с использованием процесса нанесения покрытий, сертифицированного для использования в космосе, что помогает поддерживать свойства этих покрытий в космосе и помогает предотвратить деградацию. Кроме того, зеркала и оптика Corning тестируются с использованием передового оптико-механического анализа методом конечных элементов. Этот метод моделирует нагрузки окружающей среды, которым будет подвергаться система, и определяет, не произойдут ли негативные изменения, даже на микронном уровне. Для тестов используются камеры для теплового удара, ударно-вибрационные установки, камеры влажности и моделирование для глубоких криогенных сред (<6 °K), чтобы гарантировать, что интегрированные системы сохраняют оптические допуски.

Предприятие компании Corning в Кине, штат Нью-Гэмпшир, превратило свой богатый опыт производства высокопроизводительной и долговечной оптики в разработку полностью интегрированных электрооптических сборок. Для этого были усовершенствованы возможности в области проектирования, производства, тестирования и сборки, чтобы создавать системы с более крупной апертурой, которые со временем повысили как чувствительность, так и оптическое разрешение. Для Orbital Sidekick это означает более эффективные и действенные возможности мониторинга.

Два спутника GHOSt оснащены гиперспектральной сенсорной технологией Corning.

ПОЧЕМУ ТЕХНОЛОГИИ CORNING ТАК ВАЖНЫ

В отличие от других гиперспектральных продуктов с несколькими датчиками, гиперспектральное решение Corning обеспечивает мощный диапазон 400–2500 нм с помощью одного детектора. Это снижает вес системы, а также сводит к минимуму потенциальные сложности при записи и последующей обработке изображений от двух или более датчиков. Одной из задач для клиентов является извлечение большого объема данных из космоса. Тот факт, что технология Corning позволяет клиентам сжимать данные в один файл изображения, помогает им быстрее получать данные, а также оптимизировать накладные расходы и время обработки для получения полезной информации. Вертикальная интеграция Corning позволяет создать единое решение для детекторов. Возможность проектирования и производства точных решеток с функциями точного выравнивания обеспечивает комплексное управление освещением. Это дополняется точными прорезями с субмикронным качеством кромок.

Компания Corning изготавливает из алюминия опорные компоненты датчика и отражающую оптику. Это гораздо более легкое решение, чем использование традиционных стеклянных зеркал на основе диоксида кремния. Более легкая полезная нагрузка может иметь решающее значение для успешного развертывания как на борту беспилотных летательных аппаратов, так и на спутниках. Кроме того, алюминий имеет экономические преимущества, поскольку он дешевле, чем традиционные стеклянные зеркала. Тепловое расширение одного материала, которое хорошо известно и легко проектируется, помогает сократить время проектирования.

В линейке коммерческих гиперспектральных продуктов Corning клиенты могут получать информацию от ультрафиолетового до ближнего инфракрасного диапазонов с помощью всего одного датчика.

ВЗГЛЯД ВПЕРЕД

Мониторинг критически важной энергетической инфраструктуры — это только начало того, что могут предложить такие системы, как группировка GHOSt от OSK. Сочетая передовой гиперспектральный датчик Corning с интеллектуальными и аналитическими решениями клиентов, компания предвидит будущее, которое изменит жизнь в таких областях, как сельское хозяйство, разведка полезных ископаемых, проверка компенсации выбросов углерода, оборона и многое другое.

В свою очередь, такие клиенты, как OSK, смогут предложить идеи для поддержки усилий по устойчивому развитию и безопасности в любой точке мира. Клиенты только начинают использовать потенциал гиперспектральной технологии, и компания Corning готова помочь в их дальнейшем внедрении.