Nos ingénieurs sont là pour vous aider.
Par Iliya Shofman
UTAT Space Systems, Optics Lead
L'avenir dépend largement de pratiques agricoles durables et fondées sur des données.
L'équipe aérospatiale de l'université de Toronto (UTAT) est une équipe d'étudiants de premier cycle qui construit un CubeSat d'observation de la Terre appelé « FINCH », pour « Field Imaging Nanosatellite for Crop residue Hyperspectral mapping » (Nanosatellite d'imagerie de terrain pour la cartographie hyperspectrale des résidus de culture). Mesurant seulement 10 x 10 x 30 cm, FINCH transportera une charge utile d'imagerie hyperspectrale dans la gamme SWIR, développée en interne à partir d'une combinaison d'optiques commerciales et personnalisées. Edmund Optics® soutient l'UTAT en fournissant certains de ses objectifs d'imagerie SWIR TECHSPEC®.
L'observation hyperspectrale de la Terre est une modalité d'imagerie puissante qui aide les chercheurs et les agriculteurs à surveiller la santé des cultures, à préserver les ressources naturelles et à réaliser toute une série d'autres études écologiques. L'équipe aérospatiale de l'université de Toronto (UTAT) construit un nanosatellite d'imagerie hyperspectrale qui coûterait ~1000 fois moins cher que les satellites de pointe tout en offrant une qualité d'imagerie suffisante et en comblant une « lacune en matière de surveillance » qui aiderait les agriculteurs à mettre en œuvre des pratiques agricoles durables. L’équipe UTAT construit actuellement un prototype de sa charge utile d'imagerie hyperspectrale en utilisant les objectifs SWIR d'Edmund Optics et travaille à une campagne d'essais de qualification.
Lorsque nous pensons à l'imagerie satellitaire, la première chose qui nous vient à l'esprit est Google Earth. Bien qu'elles soient riches en informations géospatiales, ces simples images RVB ne racontent pas toute l'histoire de ce qui se passe sur le terrain. En revanche, il est possible d’utiliser les capteurs d'imagerie multispectraux pour collecter des images panchromatiques avec une dizaine de bandes de longueur d'onde, ce qui permet de distinguer et de classer les matériaux au sol. Toutefois, une résolution spectrale encore plus fine est nécessaire pour effectuer des mesures quantitatives précises et résoudre les problèmes d'identification des matériaux. Les imageurs hyperspectraux sont utilisés dans des applications où des informations spectrales précises sont nécessaires pour chaque « pixel » d'une image. Ils permettent d'obtenir une multitude d'informations au-delà de ce qui est possible avec les capteurs ordinaires et multispectraux. Par exemple, l'étang situé dans le coin inférieur droit de la Figure 1 peut être confondu avec un petit champ agricole sur une image aérienne, mais peut être clairement distingué lorsque les informations spectrales sont disponibles.
La télédétection hyperspectrale d'observation de la Terre est cruciale pour la science du climat et les applications d'agriculture durable 2, 3. Contrairement aux relevés aériens laborieux effectués par des drones ou des avions, les satellites peuvent collecter des données sur la quasi-totalité de la surface de la Terre, avec un faible coût d'exploitation une fois qu'ils ont été lancés. Bien que les satellites existants fournissent des données hyperspectrales de haute qualité, ils ne peuvent revisiter une cible au sol qu'une fois toutes les quelques semaines et leur couverture est donc limitée. L'avantage unique des nanosatellites est qu'ils sont beaucoup moins chers à construire et qu'ils peuvent être déployés en grand nombre pour assurer une couverture quotidienne de l'ensemble des terres émergées de la planète. Toutefois, il est difficile d'intégrer un système optique performant dans un petit facteur de forme de nanosatellite.
Dans le cadre de la mission FINCH, l'UTAT se concentre sur la mesure de la répartition des résidus de culture sur les terres agricoles. Les résidus de culture sont la biomasse qui reste après la récolte – les agriculteurs les laissent souvent se décomposer pour recycler les éléments nutritifs dans le sol 4. Mais il est essentiel de trouver le bon équilibre : si l'on laisse trop de résidus de culture, le sol risque d'abriter des parasites et des agents pathogènes, tandis que si l'on en laisse trop peu, les terres agricoles risquent d'être érodées 5, 6.
La gamme de longueurs d'onde de l'infrarouge à ondes courtes (SWIR) s'étend de 900 nm à 1700 nm et contient des informations qui ne sont pas accessibles dans le visible et l'infrarouge proche. L'absorption à certaines longueurs d'onde de cette gamme peut être corrélée à la teneur en eau des plantes, aux niveaux d'azote, ainsi qu'aux niveaux de lignine et de cellulose – des paramètres importants pour l'agriculture et la gestion des forêts. Les données provenant de la gamme SWIR complètent et augmentent les mesures prises dans la gamme visible et, en tandem, peuvent fournir des informations précieuses pour la conservation, la science du climat et l'agriculture.
Les techniques de mélange spectral peuvent être appliquées pour quantifier l'abondance fractionnelle des résidus de culture. Toutefois, pour que les résultats soient précis, une résolution spectrale très fine et un bon rapport signal-bruit (RSB) sont nécessaires. En outre, il est souhaitable que le satellite recueille des données sur un large champ de vision avec une résolution spatiale praticable. Ces exigences sont à la base de la conception du système d'imagerie hyperspectrale FINCH EYE, qui vise à fournir une résolution spectrale de 3 nm sur 900-1700 nm avec une largeur de fauchée au sol de 50 km et une résolution spatiale de 100 m.
À titre de comparaison, les derniers satellites d'imagerie hyperspectrale de pointe, tels que PRISMA et EnMAP, offrent une résolution spatiale de 30 m, une largeur de fauchée de 30 km et une résolution spectrale de 10 nm dans la gamme SWIR 7 8. Bien que les contraintes de volume de FINCH rendent difficile l'obtention d'une résolution spatiale fine, un moteur spectral soigneusement conçu peut améliorer la résolution spectrale et le champ de vision. Ce dernier avantage permettra à FINCH de survoler plus fréquemment les sites cibles au sol et d'étudier les événements transitoires – tels que la saison des semis et des récoltes – avec une plus grande résolution temporelle.
FINCH EYE utilise une architecture d'imagerie hyperspectrale push-broom, comme illustré dans la Figure 2. Dans cette approche, le satellite prend des images d'une seule bande à la surface de la Terre et disperse la lumière en ses composantes spectrales le long de l'axe perpendiculaire du capteur de la caméra. Le satellite balaie la surface de la Terre pendant son orbite, acquérant ainsi un « cube de données » hyperspectral avec deux axes spatiaux et un axe spectral d'information. Dans FINCH EYE, ce principe est mis en œuvre à l'aide d'un objectif commercial qui prend des images de la Terre, d'une fente qui « sélectionne » une bande sur le sol et d'un relais dispersif lentille-réseau-lentille qui redirige la lumière de la fente sur le capteur de la caméra.
La mise au point d'un système optique n'est pas une tâche facile, car il faut faire de nombreux compromis techniques. Dans les nanosatellites, le volume et la masse sont très importants – la conception doit être compacte mais suffisamment robuste pour résister aux vibrations du lancement. Une autre considération essentielle est le coût – un système optique conçu sur mesure fonctionnerait « parfaitement » mais coûterait une fortune. De plus, en tant qu'équipe d'étudiants de premier cycle, nous disposons d'un temps limité pour travailler sur ce projet, car nous devons également assister à des cours et passer des examens de fin d'année.
En utilisant une combinaison d'optiques personnalisées et disponibles dans le commerce, nous avons découvert qu'il était possible de créer un système qui soit « suffisamment bon » – il répond à nos objectifs scientifiques et de mission – avec l'avantage supplémentaire de pouvoir compter sur un produit fiable et largement utilisé.
Edmund Optics a sponsorisé l'UTAT et a généreusement fourni les objectifs SWIR TECHSPEC® pour notre système d'imagerie hyperspectrale. Ces objectifs sont utilisés pour prendre des images de la Terre et transmettre la lumière à travers un relais dispersif pour produire les images hyperspectrales. Certaines objectifs Edmund Optics ont un héritage de vol spatial 9, ce qui conforte notre confiance dans la qualité de leur conception et de leur fabrication.
En tant qu'étudiants, nous avons trouvé que la multitude de la littérature en ligne de grande qualité rédigée par Edmund Optics nous a été d'une aide précieuse pour approfondir nos connaissances en conception optique. Qu'il s'agisse de principes fondamentaux, de concepts d'ingénierie de base, d'aperçus de dispositifs optiques ou de notes d'application, nous revenons souvent sur ces articles et nous les utilisons pour enseigner aux membres juniors qui ont récemment rejoint l'équipe. Dans l'ensemble, cette base de connaissances a été extrêmement utile pour la construction d'un prototype de l'imageur sur table optique, illustré à la Figure 3.
Après avoir construit l'imageur hyperspectral FINCH EYE, l’UTAT testera et validera ses performances au sol avant de l'intégrer au reste du satellite. Parmi les évaluations de base, citons la résolution spatiale, la fonction de transfert de modulation, la résolution spectrale, la responsivité spectrale et la distorsion spectrale ; ces mesures seront utilisées pour aligner et étalonner l'imageur. L'étape suivante consiste à mesurer des échantillons « réalistes » – dans notre cas, un mélange de terre, de paille et d'herbe disposé dans un conteneur pour imiter une terre agricole – dans un environnement de laboratoire contrôlé. Nous chercherons à valider notre pipeline de traitement des données et à tester sa robustesse face aux variations de la teneur en eau du sol et aux variations de l'angle zénithal d'observation.
La campagne d'essais se terminera par un vol à bord d'un avion, où FINCH EYE balayera les terres agricoles entourant la région du Grand Toronto et recueillera des données brutes avec l'éblouissement solaire et la diffusion des nuages. De nombreuses charges utiles de satellites d'imagerie hyperspectrale sont soumises à une telle campagne aéroportée dans le cadre de leurs essais de qualification, ainsi qu'à des essais d'ébranlement et de cuisson habituels pour toute application satellitaire.
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