Teledetección de gases mediante imagen hiperespectral por transformada de Fourier en el infrarrojo medio. Una contribución al problema de la cuantificación y la reducción de la dimensionalidad

摘要

A lo largo de las últimas dos décadas, el desarrollo de sistemas de imagen infrarroja ha experimentado una notable evolución. Esta tecnología, aunque originaria del ámbito militar y de la teledetección, actualmente supone un claro ejemplo de transversalidad tras haberse trasladado con éxito a sectores como el industrial, el medioambiental, o la imagen médica, conforme su nivel de competitividad y prestaciones iban en aumento.Nuevas aplicaciones han demandado dispositivos cada vez más complejos, dotados de mecanismos de selección espectral cada vez más sofisticados, y dando lugar a sistemas de imagen con capacidad para un número reducido de canales. Recientemente, este progreso culmina con los sistemas de imagen hiperespectral, que aúnan las posibilidades que brinda la resolución espacial con una resolución espectral equiparable a la de los espectrorradiómetros clásicos; lo que justifica el nombre de espectrorradiómetro de imagen aplicado también a estos equipos.El potencial ofrecido por estos últimos desarrollos permite afrontar bajo nuevos enfoques desafíos tradicionalmente complejos, como es el caso de la teledetección de compuestos gaseosos. Muchas aplicaciones de carácter tanto civil (como la monitorización de fuentes de contaminantes, la detección de emisiones fugitivas o el control de procesos industriales) como militar (desde la detección e identificación de agentes químicos a labores de reconocimiento de amenazas) se beneficiarán de los logros alcanzados en la resolución de este problema. En particular, una de las tareas más exigentes es la cuantificación, esto es, la estimación de parámetros físicos relevantes, como la concentración de una determinada especie química o la temperatura a la que se encuentra. Esto se debe fundamentalmente a la baja determinación de los datos observados, donde hay fuertes relaciones de acoplamiento entre magnitudes, lo que obliga al uso de complejos algoritmos para su recuperación.Esta tesis doctoral aborda el problema de la cuantificación a distancia de gases mediante un espectrorradiómetro de imagen provisto de un interferómetro de Michelson, que le confiere una resolución espectral de 0,25 cm -¹, acoplado a un array de 320 x 256 detectores de InSb con sensibilidad en la región comprendida entre 1,5 y 5,5 μm. Nuestro estudio comienza con el análisis de una aplicación preliminar, la teledetección activa de gases mediante sensores de banda integrada, que nos sirve para introducir herramientas como el modelado de la transferencia radiativa o la simulación de prestaciones radiométricas. El trabajo continúa con el desarrollo de las funciones de procesado que permiten obtener espectros a partir de interferogramas en el sistema de imagen hiperespectral utilizado. A continuación, se propone una metodología que permite la recuperación de la densidad de columna (producto de la concentración y el camino óptico) y de la temperatura mediante un algoritmo de ajuste iterativo, resolviendo la relación de ambigüedad que estas variables mantienen, y que finalmente es validada de forma experimental a partir de espectros de transmitancia.Nuestro enfoque del problema de la cuantificación trabaja con un espectro de alta resolución para cada píxel de la imagen. Esto supone un volumen de datos sumamente grande, y consecuentemente, unos tiempos de cómputo muy elevados, lo que nos ha llevado a la búsqueda de procedimientos que permitan extraer la dimensionalidad intrínseca de la información contenida en dichos datos. La solución propuesta hace uso del análisis de componentes principales como técnica para generar sub-espacios adaptados a los espectros medidos, aunque con la particularidad de que dichas componentes se construyen a partir de datos teóricos que simulan el escenario observado. De esta forma se consigue no sólo una notable reducción de la dimensionalidad y la multicolinealidad, sino que ésta viene acompañada por una reducción del ruido, y se facilita la recuperación de las variables densidad de columna y temperatura. Esta nueva estrategia de estimación es validada a partir del caso experimental estudiado inicialmente, y se complementa su uso junto a distintas estrategias de generalización, que buscan optimizar la recuperación de datos explorando diferentes alternativas de aproximación de funciones (como el perceptrón multicapa) y de regresión no lineal (mediante redes neuronales de base radial y máquinas de vectores de soporte). Otro de los factores responsables del alto volumen de datos presente en los interferogramas es el sobremuestreo con el que son adquiridos, por lo que aquí se propone un algoritmo que consigue un uso eficiente de las muestras redundantes para reducir el nivel de ruido.Por último, esta tesis concluye poniendo a prueba los planteamientos expuestos hasta aquí para afrontar un problema metrológico actual, como es la medida de las altas temperaturas (>2400 K) que se producen en determinados procesos de combustión, en el contexto de un proyecto europeo de investigación. Nuestra aportación se basa en el uso de técnicas de espectroscopia de emisión, junto al de una metodología de recuperación de la temperatura basada en el método de ajuste iterativo ya desarrollado, obteniéndose como sub-productos estimaciones de la densidad de columna de las principales especies.No obstante, este proceso no resulta libre de contratiempos, principalmente por la dificultad que implica observar fenómenos dinámicos con un interferómetro de Michelson, en el que la radiación entrante fluctúa temporalmente durante el recorrido del espejo. Esto provoca una superposición entre la modulación propia del interferómetro y la modulación temporal, que ha sido necesario corregir para evitar la aparición de artefactos en los espectros obtenidos. Finalmente, el análisis de las medidas realizadas mediante el método de Monte Carlo arroja niveles de incertidumbre en la estimación de la temperatura del orden de ± 5K.