Resumen de 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
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, a la vez que su nivel de competitividad y prestaciones iban en aumento. Nuevas aplicaciones demandaban dispositivos cada vez más complejos, debido en parte a la necesidad de verse complementados con 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 la síntesis de los denominados como sistemas de imagen hiperespectral, dotados de una resolución espectral equiparable a la empleada en campos como la espectrorradiometría, pero con todas las posibilidades que otorga el contar con resolución espacial.
El potencial ofrecido por estos últimos desarrollos permite afrontar desafíos tradicionalmente complejos bajo nuevos enfoques, como es el caso de la teledetección de compuestos gaseosos. Donde 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. Particularmente, una de las tareas que demanda más atención es el caso de la cuantificación, esto es, la estimación de parámetros físicos relevantes, como la cantidad de moléculas presentes de un determinado compuesto o la temperatura a la que éste se encuentra. Esto se debe fundamentalmente a la baja determinación presente en los datos observados, donde predominan las relaciones de acoplamiento entre magnitudes, que motiva el uso de complejos algoritmos durante el proceso de 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 320x256 detectores de InSb con sensibilidad en la región comprendida entre 1.5 y 5.5 µm. Sin embargo, 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 funciones de transferencia radiativa o la simulación de prestaciones radiométricas. Tras esto, nuestro trabajo continúa con el desarrollo de las funciones de procesado que permiten obtener datacubos de espectros a partir de la señal interferométrica adquirida, describiéndose todo lo necesario para la puesta a punto del sistema de imagen hiperespectral. Y, a continuación, se propone una metodología que permite la recuperación de la densidad de columna 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.
Pese a que nuestra contribución al problema de la cuantificación necesita disponer de elevada resolución espectral, la siguiente parte de nuestro trabajo reflexiona sobre la alta dimensionalidad presente en los espectros tratados. El elevado volumen de datos, y los tiempos de cómputo que se derivan, nos llevan a la búsqueda de mecanismos 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 una particularidad, dichos escenarios se construyen a partir de conjuntos 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 un descenso de los niveles de ruido y 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 exploran diferentes alternativas de aproximación de funciones (como el perceptrón multicapa) y regresión no lineal (mediante redes neuronales de base radial y máquinas de vectores de soporte). Otro de los factores responsables del volumen de datos contenido en los interferogramas experimentales es el sobremuestreo con el que estos son adquiridos. En este caso, se propone un algoritmo que permite aprovechar las muestras adquiridas de forma innecesaria, de forma que se empleen para reducir el nivel de ruido, y así promover un uso más eficiente.
Por último, esta tesis concluye afrontando 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 espectroscopía 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 ha estado libre de contratiempos, debido principalmente a 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 medidas experimentales mediante el método de Monte Carlo arroja niveles de incertidumbre en la estimación de la temperatura del orden de ±5 K.
