NASA开发的创新型红外传感器提高了地球和空间成像的分辨率

NASA开发的创新型红外传感器提高了地球和空间成像的分辨率 戈达德工程师 Murzy Jhabvala 拿着他的紧凑型热成像仪技术的核心部件一种高分辨率、高光谱范围的红外传感器，适用于小型卫星和前往其他太阳系天体的任务。资料来源：美国国家航空航天局这些相机配备了高灵敏度、高分辨率的应变层超格传感器，这些传感器最初是由美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心开发的，由内部研究与开发（IRAD）计划资助。由于设计紧凑、重量轻、用途广，Tilak Hewagama 等工程师可以根据不同的科学应用对它们进行定制。增强的传感器功能Hewagama 说："将滤光片直接连接到探测器上，消除了传统镜头和滤光片系统的巨大质量。这使得低质量的仪器拥有了一个紧凑的焦平面，现在可以使用更小、更高效的冷却器进行红外探测。小型卫星和任务可以从其分辨率和精确度中获益。"工程师 Murzy Jhabvala 在马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心领导了最初的传感器开发工作，并领导了今天的滤波器集成工作。Jhabvala 还领导了国际空间站上的"紧凑型热成像仪"实验，该实验展示了新传感器技术如何在太空中生存，同时也证明了其在地球科学领域的重大成功。通过两个红外波段捕捉到的1500多万张图像为发明者贾巴拉、NASA戈达德同事唐-詹宁斯（Don Jennings）和康普顿-塔克（Compton Tucker）赢得了2021年年度发明奖。2019 年和 2020 年，紧凑型热成像仪在国际空间站上捕捉到了澳大利亚异常严重的火灾。凭借其高分辨率，它探测到了火锋的形状和位置，以及火锋距离居民区有多远这些信息对急救人员至关重要。资料来源：美国国家航空航天局地球和空间观测的突破这次试验获得的数据提供了有关野火的详细信息，让人们更好地了解了地球云层和大气层的垂直结构，并捕捉到了由地球陆地特征引起的上升气流，这种上升气流被称为重力波。这种突破性的红外传感器利用层层重复的分子结构与单个光子（或光的单位）相互作用。这种传感器能以更高的分辨率分辨更多波长的红外线：从轨道上看，每个像素的分辨率为 260 英尺（80 米），而目前的热像仪的分辨率为 1000 至 3000 英尺（375 至 1000 米）。这些热量测量相机的成功吸引了美国国家航空航天局地球科学技术办公室（ESTO）、小企业创新与研究以及其他计划的投资，以进一步扩大其覆盖范围和应用。Jhabvala和NASA的先进陆地成像热红外传感器（ALTIRS）团队正在为今年的激光雷达、高光谱和热成像仪（G-LiHT）机载项目开发六波段版本。他说，这种首创的相机将测量地表热量，并能以高帧频进行污染监测和火灾观测。新一代火灾成像技术美国国家航空航天局戈达德地球科学家道格-莫顿（Doug Morton）领导了一个 ESTO 项目，开发用于野火探测和预测的紧凑型火灾成像仪。莫顿说："我们不会看到更少的火灾，因此我们正试图了解火灾在其生命周期中是如何释放能量的。这将帮助我们更好地理解在一个越来越易燃的世界中火灾的新特性。"CFI 将同时监测释放更多温室气体的最热火灾和产生更多一氧化碳以及烟雾和灰烬等空气传播颗粒的较冷、燃烧的煤炭和灰烬。莫顿说："在安全和了解燃烧释放的温室气体方面，这些都是关键因素。"莫顿的团队设想，在对火情成像仪进行机载测试后，他们将装备一个由 10 颗小型卫星组成的舰队，每天提供更多的火情图像，从而提供全球火情信息。他说，结合下一代计算机模型，"这些信息可以帮助森林服务和其他消防机构预防火灾，提高前线消防员的安全，保护火灾路径上居民的生命和财产安全"。探测地球内外的云层美国国家航空航天局戈达德地球科学家吴栋说，该传感器装有偏振滤光片，可以测量地球高层大气云层中的冰颗粒是如何散射和偏振光的。吴说，这一应用将补充美国国家航空航天局的浮游生物、气溶胶、云层和海洋生态系统（PACE）任务，该任务在上个月早些时候揭示了其首批光图像。两者都测量光波的偏振方向与红外光谱不同部分的传播方向的关系。他解释说："PACE偏振计监测可见光和短波红外光。这项任务将重点关注白天观测到的气溶胶和海洋颜色科学。在中波和长波红外波段，新的红外偏振计将从白天和夜间观测中捕捉云层和表面特性。"在另一项工作中，Hewagama 正在与 Jhabvala 和 Jennings 合作，加入线性可变滤光片，以提供红外光谱中更多的细节。这些滤光片可以显示大气分子的旋转和振动以及地球表面的成分。行星科学家卡莉-安德森（Carrie Anderson）说，这项技术也能让前往岩质行星、彗星和小行星的任务受益匪浅。她说，他们可以识别土星卫星恩克拉多斯（Enceladus）巨大羽流中释放出的冰和挥发性化合物。"它们本质上是冰的喷泉，"她说，"当然是冷的，但发出的光在新红外传感器的探测范围之内。在太阳的背景下观察这些羽流，可以让我们非常清楚地识别它们的成分和垂直分布。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

新型40万像素超导相机提供前所未有的宇宙视野

新型40万像素超导相机提供前所未有的宇宙视野 一直以来，超导照相机虽然能满足低噪声和高灵敏度的要求，但受限于其体积小，通常不超过几千个像素，这限制了其捕捉高分辨率图像的能力。然而，一个研究小组最近的一项突破打破了这一障碍，制造出了一台拥有 40 万像素的超导照相机。这一进步使我们能够探测从紫外线到红外线波长的宽光谱微弱天文信号。基于超导纳米线单光子探测器的 40 万像素超导相机。资料来源：Adam McCaughan/NIST虽然有很多其他的照相机技术，但使用超导探测器的照相机因其极低的工作噪声而非常适合在天文任务中使用。在对微弱光源成像时，照相机必须如实报告接收到的光量，而不能歪曲接收到的光量或注入自己的错误信号。超导探测器由于其低温运行和独特的成分，完全可以胜任这一任务。正如项目负责人亚当-麦考恩博士所描述的，"有了这些探测器，你可以整天采集数据，捕捉数十亿个光子，而其中只有不到十个光子是噪声造成的"。NIST 团队成员 Bakhrom Oripov（左）和 Ryan Morgenstern（右）将超导相机安装到专用低温平台上。资料来源：Adam McCaughan/NIST不过，虽然超导探测器在天文应用方面大有可为，但由于相机尺寸小，像素相对较少，它们在该领域的应用一直受到阻碍。由于这些探测器的灵敏度非常高，因此很难在小范围内安装大量的探测器而不相互干扰。此外，由于这些探测器需要在低温冰箱中保持低温，因此只能用少量的导线将信号从照相机传送到温度较高的读出电子装置。为了克服这些限制，美国国家标准与技术研究院（NIST）、美国国家航空航天局喷气推进实验室（JPL）和科罗拉多大学博尔德分校的研究人员将时域多路复用技术应用于二维超导纳米线单光子探测器（SNSPD）阵列的检测。单个 SNSPD 纳米线排列成相交的行和列。当光子到达时，测量触发行探测器和列探测器所需的时间，以确定是哪个像素发出的信号。通过这种方法，相机只需在几根读出导线上对许多行和列进行有效编码，而无需数千根导线。这幅动画描述了新开发的读出系统，该系统使研究人员有可能制造出一台 40 万像素的单线超导照相机，这是同类照相机中分辨率最高的照相机。资料来源：S. Kelley/NISTSNSPD 是众多此类超导探测器技术中的一种，包括微波动感探测器 (MKID)、过渡边传感器 (TES) 和量子电容探测器 (QCD)。SNSPD 的独特之处在于其工作温度远高于其他技术所需的毫开尔文温度，并且具有极高的时间分辨率，但无法分辨单个光子的颜色。近二十年来，NIST、JPL 和其他机构一直在合作研究 SNSPD，而最近的这项工作之所以能够完成，完全得益于更广泛的超导探测器领域所取得的进步。研究小组采用了这种读出架构后，他们发现立即就可以建造像素数量极多的超导相机。正如技术带头人巴赫罗姆-奥里波夫博士所描述的那样："这里最大的进步在于探测器是真正独立的，因此如果你想要像素更高的相机，只需在芯片上增加更多的探测器即可。研究人员指出，虽然他们最近的项目是一个 40 万像素的设备，但他们还即将展示一个像素超过 100 万的设备，目前还没有找到上限。"JPL 小组成员与两个低温冷却器原型，它们将用于测试远紫外波长的超导照相机。从左到右依次为：Emanuel Knehr、Boris Korzh、Jason Allmaras 和 Andrew Beyer。资料来源：Boris Korzh/NASA JPL研究人员认为，他们的相机最令人兴奋的用途之一是在太阳系外寻找类地行星。为了成功探测到这些行星，未来的太空望远镜将观测遥远的恒星，寻找来自轨道行星的微小反射光或发射光。探测和分析这些信号极具挑战性，需要长时间曝光，这意味着望远镜收集到的每一个光子都非常宝贵。一台可靠的低噪声照相机对于探测这些数量极少的光至关重要。SNSPD 摄像机还可用于探测来自深空任务的光通信信号。事实上，美国国家航空航天局（NASA）目前正在通过深空光通信（DSOC）项目演示这种能力，这是首次演示来自行星际空间的自由空间光通信。DSOC 正在从一个名为"Psyche"的航天器（已于 10 月 13 日发射升空，正在前往 Psyche 小行星的途中）向位于帕洛玛天文台的一个基于 SNSPD 的地面终端发送数据。光学链路的数据传输速率远远高于星际间的射频链路。为接收 Psyche 数据的地面站开发的照相机具有出色的定时分辨率，可以对来自航天器的光学数据进行解码，从而在一定时间内接收到比使用无线电信号多得多的数据。这些传感器还将在地球上的许多应用中发挥作用。由于这种相机的工作波长非常灵活，因此可以优化其在生物医学成像方面的应用，以探测以前无法探测到的细胞和分子发出的微弱信号。麦考恩博士指出："我们非常希望神经科学家能够使用这种相机。这项技术可以为他们提供一种新的工具，以完全非侵入性的方式研究我们的大脑"。最后，迅速发展的量子技术领域也将从这一令人兴奋的技术中获益，它有望改变我们确保通信和交易安全的方式，以及我们模拟和优化复杂过程的方式。一个光子可用于传输或计算一个比特的量子信息。目前，许多公司和政府都在努力扩大量子计算机和通信链路的规模，而获得如此易于扩展的单光子照相机可以克服释放量子技术全部潜力的主要障碍之一。据研究小组称，下一步将是利用这一初步演示，并对其进行优化，使其适用于太空应用。共同项目负责人鲍里斯-科尔日（Boris Korzh）博士说："现在，我们已经进行了概念验证演示，但我们还需要对其进行优化，以充分展示其潜力。研究团队目前正在计划进行超高效率照相机演示，以验证这项新技术在紫外线和红外线方面的实用性。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：