Imagerie hyperspectrale active basée sur un laser QCL largement accordable dans l’infrarouge moyen

Active hyperspectral imaging based on widely tunable QCL laser in mid-infrared range

• Auteur / Autrice : Chaimae El Fakir
• Direction : Pascal Besnard, Jean-Marc Goujon
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Photonique
• Date : Soutenance le 06/10/2020
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Matière, Molécules Matériaux et Géosciences (Le Mans)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Fonctions Optiques pour les Technologies de l’informatiON (Lannion ; 2000-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Lasers à cascade quantique

Imagerie hyperspectrale

Mots clés libres

Imagerie hyperspectrale

Laser QCL accordable

Infrarouge moyen

Stress hydrique

Classification

Hyperspectral imaging

Tunable QCL laser

Mid-Infrared

Water stress

Classification

Résumé

L'imagerie thermique et la récente disponibilité des lasers QCL (Quantum Cascade Laser) largement accordables, nous permettent de proposer un système d'imagerie hyperspectrale active fonctionnant dans l'infrarouge moyen (MIR), où la sortie du système consiste en une série de sous-images à bande étroite disposées sur le spectre de réflectance de l'échantillon, formant un hypercube de données acquises par la technique d'acquisition « staring ». Afin d'évaluer plus précisément les capacités de l'imagerie hyperspectrale active, nous proposons un système de mesure composé de quatre lasers accordables QCL (afin de couvrir les longueurs d'onde de 3,9 µm à 4,7 µm et de 7,5 µm à 11 µm), et de deux caméras : InSb refroidie pour la gamme spectrale 3-5 µm et un bolomètre pour la gamme 7,5-13 µm. Nous présentons également l'algorithme d'acquisition et de traitement des images pour obtenir les spectres des mesures sur la surface des feuilles des plantes. Enfin, nous présentons et discutons les résultats obtenus en utilisant la technique de classification PLS-DA pour caractériser l'état hydrique de différentes plantes dans des conditions de croissance contrôlées au sein de laboratoire, séparées en deux classes : les plantes de témoins ont été maintenues à 80 % de la capacité du champ (CC) et les plantes stressées à 20 %. Des premiers résultats ont montré la capacité du système proposé à séparer les plantes pour une détection précoce du stress hydrique.

Thermal imaging and the recent availability of widely tunable infrared QCL lasers (Quantum Cascade Laser) allow us to propose an active hyperspectral imaging system operating in mid-infrared (MIR) band, where the system output consists in series of narrow band sub-images arranged across the reflectance spectrum of the sample, forming a hypercube data acquired by « staring » acquisition technique. In order to evaluate more precisely the capacities of the active hyperspectral imaging, we propose a system composed of four powerful QCL tunable lasers (in order to cover 3,9 µm to 4,7 µm and 7,5 µm to 11 µm wavelengths) and two cameras: an InSb cooled camera for 3-5 µm range and a bolometer for 7,5-13 µm range. We present the algorithm for image acquisition, image and data processing to obtain spectra of averaged zones of plant leaves. Finally, we present and discuss results using PLS-DA classification technique to characterize health status of different plants under controlled growing conditions, separated in two classes: reference ones were maintained at 80 % of field capacity and stressed ones at 20 %. Initial results have shown the ability of proposed system to separate plants for early water stress detection.