ES2956789T3

ES2956789T3 - Cámara térmica no refrigerada

Info

Publication number: ES2956789T3
Application number: ES19150221T
Authority: ES
Inventors: Thomas Grübler
Original assignee: Ororatech GmbH
Current assignee: Ororatech GmbH
Priority date: 2019-01-03
Filing date: 2019-01-03
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2039-01-03
Also published as: EP3677885A1; WO2020141102A1; US12192671B2; US11902697B2; EP3677885B1; US20220086371A1; US20240187546A1; EP3677885C0

Abstract

Esta solicitud se refiere a una cámara termográfica o multiespectral que comprende un conjunto de lentes, un conjunto de chips de circuito integrado, IC, que está dispuesto en un campo de visión del conjunto de lentes, comprendiendo cada chip IC un conjunto de dispositivos de termopila y un conjunto de filtro. que comprende uno o más filtros de longitud de onda. Los chips IC están dispuestos en tres o más filas paralelas de chips IC que incluyen un par de filas no adyacentes de chips IC y una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC. El conjunto de filtro está dispuesto entre la serie de chips de CI y el conjunto de lentes y comprende un filtro de longitud de onda respectivo para al menos una de las tres o más filas de chips de CI. Al menos un filtro de longitud de onda es transparente en una porción de un rango de longitud de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lente. El conjunto de filtro está configurado además de manera que la radiación del mismo rango de longitud de onda pueda pasar a las filas de chips de CI en el par de filas no adyacentes de chips de CI, y de tal manera que el rango de longitud de onda de la radiación que puede pasar a las filas de CI chips en el par de filas no adyacentes de chips IC es diferente de un rango de longitud de onda de radiación que puede pasar a una o más filas de chips IC distintos del par de filas no adyacentes de IC. La solicitud se refiere además a un satélite que comprende la cámara termográfica y a un método para operar la cámara termográfica cuando está a bordo de un satélite. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Cámara térmica no refrigerada

Campo técnico

Esta aplicación se refiere a cámaras térmicas, como por ejemplo cámaras de infrarrojos (IR). En particular, la solicitud se refiere a cámaras térmicas no refrigeradas y, más particularmente, a cámaras térmicas no refrigeradas que son adecuadas para su uso en satélites (por ejemplo, nanosatélites, tales como Cubesats), aviones o vehículos aéreos no tripulados.

Antecedentes

El rango espectral (rango de longitudes de onda) de 8 gm a 13 gm, así como 4 ± 0,5 gm no es absorbido (o lo es mínimamente) por la atmósfera terrestre y, por lo tanto, es especialmente adecuado para medir la temperatura de la superficie de la Tierra desde el espacio (por ejemplo, desde una órbita alrededor de la Tierra). Por tanto, la mayoría de los satélites meteorológicos utilizan este rango espectral para medir la temperatura.

La mayoría de las cámaras térmicas que se utilizan en este contexto (por ejemplo, cámaras IR) requieren refrigeración activa. Sin embargo, la refrigeración activa requiere un gran consumo de energía y es necesario proporcionar una gestión térmica activa para descargar la potencia de refrigeración (por ejemplo, calor de un elemento Peltier).

Por las razones anteriores, es muy difícil (si no imposible) dotar a los nanosatélites (por ejemplo, Cubesats) de una cámara térmica. Asimismo, es difícil dotar a aviones pequeños o pequeños vehículos aéreos no tripulados de una cámara térmica.

Por tanto, existe la necesidad de una cámara térmica mejorada que no requiera refrigeración (y por lo tanto tenga un menor consumo de energía, por ejemplo, inferior en un factor de 1/10) y/o que sea más compacta que las cámaras térmicas convencionales.

El documento de RIENSTRA J ET AL: "Multispectral focal plane assembly for satellite remote sensing", AEROSPACE CONFRENCE, 1988 IEEE SNOWMASS AT ASPEN, CO, EE.UU., vol. 5, 21 de marzo de 1998, páginas 233 a 241, describe, en general, un conjunto de plano focal multiespectral para teledetección por satélite. El documento de MUELLER J ET AL: "A novel micromachined 2X128-element linear themoelectric infrared radiation sensor array", PROCEEDINGS MICRO. TEC. VDE WORLD MICROTECHNOLOGIES CONGRESS, vol. 1, 25 de septiembre de 2000, páginas 1.465 a 469 se refiere, en general, a un sensor de radiación infrarroja termoeléctrico de múltiples elementos.

El documento de ROGALSKI ANTONI ED - CHENNUPATI JAGADISH: "Progress in focal plane array technologies", PROGRESS IN QUANTUM ELECTRONICS, (201205), vol. 36, núm. 2, mayo de 2012, páginas 342 a 473 describe, en general, sistemas de materiales y detectores manejados en diferentes rangos espectrales.

El documento US 2014/211006 A1 da a conocer, en general, un dispositivo de obtención de imágenes destinado a ser colocado a bordo de un satélite o de una aeronave que comprende al menos dos conjuntos de detectores que están dispuestos en el mismo plano focal.

Compendio

En vista de algunas o de todas estas necesidades, la presente descripción propone una cámara térmica, un satélite que tiene una cámara térmica y un método para hacer funcionar una cámara térmica a bordo de un satélite, que tiene las características de las respectivas reivindicaciones independientes. Las reivindicaciones dependientes se refieren a realizaciones preferidas.

Un aspecto de la descripción se refiere a una cámara térmica. La cámara térmica puede ser, por ejemplo, una cámara de infrarrojos. La cámara térmica puede incluir un conjunto de lentes. El conjunto de lentes puede incluir una primera lente y una segunda lente dispuestas sobre un eje óptico común. El conjunto de lentes puede permitir el paso de radiación (térmica) en un rango de longitudes de onda determinado. Preferiblemente, el conjunto de lentes puede ser transparente en el rango de IR, por ejemplo para longitudes de onda de 8 gm a 13 gm o (al menos) de 8 gm a 12 gm. El conjunto de lentes puede ser adicionalmente transparente en un rango de longitudes de onda de alrededor de 4 gm o cualquier otro valor entre 2 gm y 20 gm. La cámara térmica puede incluir además un conjunto de chips de circuito integrado (IC) que está dispuesto en un campo de visión del conjunto de lentes. Cada chip IC puede incluir un conjunto de dispositivos termopila. Por consiguiente, el conjunto de chips IC también puede denominarse conjunto de conjuntos de dispositivos termopila. El conjunto de chips IC puede actuar como un sensor de imagen (sensor de cámara). La cámara térmica puede incluir además un conjunto de filtros que comprende uno o más filtros de longitudes de onda. Los filtros de longitudes de onda pueden ser, por ejemplo, filtros de paso de banda. Los chips IC pueden estar dispuestos en tres o más filas paralelas de chips IC que incluyen un par de filas no adyacentes de chips IC y una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC. El par de filas no adyacentes de chips IC pueden ser las dos filas exteriores del conjunto de chips IC. Las una o más filas distintas del par de filas no adyacentes de chips IC puede ser las filas intermedias (o interiores) del conjunto de chips IC. Las filas de chips IC pueden ser equidistantes. Los chips IC dentro de cada fila de chips IC pueden ser equidistantes. Por ejemplo, los chips IC en el conjunto de chips IC pueden estar dispuestos en los vértices de una rejilla rectangular regular. El conjunto de filtros puede estar dispuesto entre el conjunto de chips IC y el conjunto de lentes. El conjunto de filtros puede incluir un filtro de longitudes de onda respectivo para al menos una de las filas primera a tercera de chips IC. Cada uno de los filtros de longitudes de onda puede estar alineado (espacialmente) con su fila respectiva de chips IC (por ejemplo, para cubrir sustancialmente (sólo) la fila respectiva de chips IC cuando se ve desde el conjunto de lentes). Los uno o más filtros de longitudes de onda pueden ser transparentes en una parte de un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes (y pueden ser no transparentes en otra parte del rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes). Es decir, los filtros de longitudes de onda pueden filtrar (bloquear) una parte del rango de longitudes de onda de radiación (térmica) que puede pasar a través del conjunto de lentes. El conjunto de filtros puede estar configurado además de manera que la radiación del mismo rango de longitudes de onda puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC, y de manera que el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC es diferente de un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC. Por ejemplo, las tres o más filas paralelas de chips IC pueden incluir las primera a tercera filas de chips IC. La segunda fila de chips IC puede estar dispuesta en una posición intermedia entre la primera y la tercera filas de chips IC. Entonces, el conjunto de filtros puede estar configurado además de manera que un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a la primera fila de chips IC sea el mismo que un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a la tercera fila de chips IC, y sea diferente de un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a la segunda fila de chips IC. En este, la primera y la tercera filas pueden recibir radiación filtrada, mientras que para la segunda fila no hay ningún filtro, o viceversa. En una realización preferida, el conjunto de chips IC comprende cuatro filas de chips IC, recibiendo el par de filas exteriores radiación del mismo rango de longitudes de onda. En lo anterior y en el resto de este documento, se entiende por radiación la radiación térmica, salvo que se indique lo contrario.

Al utilizar conjuntos de termopilas para construir el sensor de imagen de la cámara térmica, no se requiere refrigeración activa. De este modo, el consumo de energía de la cámara térmica propuesta se puede reducir a menos de una décima parte del consumo de energía de las cámaras térmicas convencionales. Asimismo, la ausencia de refrigeración activa permite un diseño más compacto de la cámara térmica, que la convierte en un candidato adecuado para su uso en nanosatélites, aviones pequeños o pequeños vehículos aéreos no tripulados. Mediante el uso de un conjunto de conjuntos de termopilas, la cámara térmica propuesta permite capturar imágenes térmicas bidimensionales de la superficie de la Tierra. Dado que al menos dos filas de chips IC que están separadas entre sí reciben radiación en el mismo rango de longitudes de onda, se pueden aplicar métodos estereoscópicos a imágenes térmicas capturadas en tiempos de muestreo apropiados, para reconstruir, por ejemplo, una forma tridimensional de nubes en el campo de visión de la cámara térmica. Finalmente, proporcionando el conjunto de filtros propuesto, posiblemente junto con comparar o combinar de otro modo señales de lectura (imágenes térmicas) obtenidas de diferentes filas de chips IC, se puede conseguir una resolución térmica que es más que suficiente para el propósito previsto de medir temperaturas en la superficie de la Tierra para aplicaciones meteorológicas.

En algunas realizaciones, el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) puede abarcar al menos dos tercios del rango de longitudes de onda de radiación (térmica) que puede pasar a través del conjunto de lentes. Por ejemplo, el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) puede abarcar al menos el 90 por ciento (%) del rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes.

En algunas realizaciones, el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) puede ser mayor que el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la segunda fila de chips IC) en al menos un 50 por ciento. En una realización preferida, el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) puede ser mayor que el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la segunda fila de chips IC) en un 100 por ciento (%).

El rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) abarca el rango completo de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes. Por consiguiente, la radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) puede no ser filtrada por el conjunto de filtros (es decir, puede no haber un filtro de longitudes de onda correspondiente para estas filas de chips IC).

Por consiguiente, al menos dos filas de chips IC que están separadas entre sí reciben radiación en el mismo amplio rango de longitudes de onda. Por lo tanto, las señales de lectura (imágenes térmicas) de estas filas de chips IC se pueden utilizar para aplicar estereoscopía. Por otra parte, la fila o filas de chips IC que reciben radiación en un rango de longitudes de onda más estrecho se pueden utilizar, por ejemplo, para calcular la temperatura de la superficie de la Tierra.

En algunas realizaciones, el conjunto de chips IC puede incluir al menos dos filas interiores de chips IC que están dispuestas en posiciones intermedias respectivas entre las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC. Por ejemplo, el conjunto de chips IC puede incluir, además de las primera, segunda y tercera filas de chips IC, una cuarta fila de chips IC dispuesta en una posición entre la primera y la tercera filas de chips IC. El conjunto de filtros puede comprender un filtro de longitudes de onda respectivo para cada una de las al menos dos filas interiores de chips IC (por ejemplo, para la segunda y la cuarta filas de chips IC). Los rangos de longitudes de onda de radiación que pueden pasar a través de los respectivos filtros de longitudes de onda para las al menos dos filas interiores de chips IC (por ejemplo, la segunda y la cuarta filas de chips IC) pueden ser diferentes entre sí. En un caso ideal, estos rangos de longitudes de onda pueden ser sustancialmente disjuntos.

Por consiguiente, la cámara térmica comprende dos filas de chips IC que reciben radiación en rangos de longitudes de onda (filtrados) comparativamente estrechos. Las señales de lectura (imágenes térmicas) de estas filas se pueden utilizar para calcular con precisión la temperatura en la superficie de la Tierra.

En algunas realizaciones, un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes puede ser dividido por los filtros de longitudes de onda del conjunto de filtros. Por ejemplo, los rangos de longitudes de onda en los que los filtros de longitudes de onda son transparentes pueden ser sustancialmente disjuntos y pueden sumar el rango completo de longitudes de onda. Si, por ejemplo, el rango completo de longitudes de onda (rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes) es de 8 μm a 12 μm, las bandas de paso de los filtros de longitudes de onda para la segunda y la cuarta filas de chips IC pueden ser de 8 μm a 10 μm y de 10 μm a 12 μm, respectivamente.

Proporcionar cuatro filas de chips IC que sean sensibles en dichos rangos de longitudes de onda disjuntos permite calcular con precisión la temperatura en la superficie de la Tierra. Además, para rangos de longitudes de onda disjuntos, se puede inferir información adicional tomando diferencias entre imágenes térmicas de diferentes filas de chips IC.

En algunas realizaciones, el conjunto de chips IC puede ser un conjunto rectangular (por ejemplo, cuadrático) o circular. Para un conjunto circular, las filas de chips IC pueden tener diferentes longitudes (en términos de un número de chips IC en filas respectivas). En general, el número de chips IC por fila puede ser diferente del número de filas de chips IC en el conjunto de chips IC. De este modo, la forma de la cámara térmica se puede adaptar a la carcasa de un satélite, avión o vehículo aéreo no tripulado destinado a transportar la cámara térmica.

En algunas realizaciones, el conjunto de filtros puede estar dispuesto a una distancia predeterminada del conjunto de chips IC. La distancia puede estar, por ejemplo, en el intervalo de 1 mm a 10 mm. El conjunto de filtros puede estar separado sin contacto del conjunto de chips IC.

En algunas realizaciones, la cámara térmica puede ser adecuada para su uso en al menos uno de entre un satélite, un avión o un vehículo aéreo no tripulado. El satélite puede ser un nanosatélite, tal como un Cubesat (por ejemplo, 3U Cubesat), por ejemplo. Esto puede verse como una consecuencia directa de que la cámara térmica no requiera refrigeración activa, por lo que se puede reducir el consumo de energía y el tamaño de la cámara térmica.

Otro aspecto de la descripción se refiere a un satélite que incluye la cámara térmica según el aspecto anterior y cualquiera de sus realizaciones. El satélite puede ser un satélite de observación de la Tierra. Además, el satélite puede ser un nanosatélite, como por ejemplo un Cubesat.

En algunas realizaciones, la cámara térmica está dispuesta de tal manera que mira hacia la superficie de la Tierra y las filas de chips IC están orientadas perpendiculares a un plano abarcado por una dirección de vuelo del satélite y una perpendicular a la superficie de la Tierra. Es decir, un píxel en una trayectoria terrestre del satélite puede ser barrido sucesivamente por los campos de visión de las filas de chips IC en el conjunto de chips IC, desde una fila inicial hasta una fila final (por ejemplo, de la primera a la tercera filas de chips IC (en ese orden)).

Esto permite comparar razonablemente las señales de lectura (imágenes térmicas) de diferentes filas de chips IC. Al analizar combinaciones lineales de señales de lectura (imágenes térmicas) de diferentes filas de chips IC (que reciben radiación en diferentes rangos de longitudes de onda), se puede obtener información adicional sobre la temperatura en la superficie de la Tierra y/o las propiedades de la atmósfera terrestre en un campo de visión de la cámara térmica.

En algunas realizaciones, se puede establecer una frecuencia de muestreo para capturar señales de lectura del conjunto de chips IC (por ejemplo, una señal de lectura por chip IC) dependiendo de un período orbital del satélite y de una longitud a lo largo de la trayectoria terrestre del satélite de un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra, de cada fila de chips IC. El satélite puede comprender circuitos de lectura para capturar las señales de lectura del conjunto de chips IC en tiempos de muestreo dados por la frecuencia de muestreo.

En algunas realizaciones, se puede establecer una frecuencia de muestreo para capturar señales de lectura (imágenes térmicas) del conjunto de chips IC de manera que un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra, de una fila inicial de chips IC en un tiempo de muestreo determinado coincida sustancialmente con un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra, de una enésima fila de chips IC desde la fila inicial de chips IC en un enésimo tiempo de muestreo posterior al tiempo de muestreo dado, donde n es un número entero que va de 2 a N-1, siendo N el número de filas de chips IC en el conjunto de chips IC. La enésima fila de chips IC puede ser una fila final de chips IC. El conjunto de chips IC puede incluir las N filas de chips IC desde la fila inicial hasta la fila final.

Por consiguiente, cada una de las filas de chips IC en el conjunto de chips IC captura sucesivamente un píxel en la superficie de la Tierra (en la trayectoria terrestre del satélite). Comparar diferentes imágenes térmicas del mismo píxel (capturadas por diferentes filas de chips IC en diferentes tiempos de muestreo) permite inferir información adicional sobre la temperatura en la superficie de la Tierra y/o sobre propiedades de la atmósfera.

En algunas realizaciones, el satélite puede incluir además circuitos de lectura para capturar las señales de lectura (imágenes térmicas) del conjunto de chips IC en tiempos de muestreo respectivos dados por la frecuencia de muestreo. Los circuitos de lectura pueden estar configurados para comparar señales de lectura (imagen térmica) para una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera fila de chips IC) capturadas en un tiempo de muestreo determinado, con señales de lectura (imagen térmica) correspondientes para la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la tercera fila de chips IC) capturadas en un tiempo de muestreo m-ésimo posterior al tiempo dado, asumiendo que la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC es la m-ésima fila de chips IC desde la una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC, contando todas las filas intermedias de chips IC.

Otro aspecto de la descripción se refiere a un método para hacer funcionar la cámara térmica de acuerdo con el primer aspecto y cualquiera de sus realizaciones cuando está a bordo de un satélite que orbita la Tierra, suponiendo que la cámara térmica esté dispuesta de manera que mira hacia la superficie de la Tierra y las filas de chips IC estén orientadas perpendiculares a un plano abarcado por una dirección de vuelo del satélite y una perpendicular a la superficie de la Tierra. El método puede incluir establecer una frecuencia de muestreo para capturar señales de lectura del conjunto de chips IC de manera que un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra, de una fila inicial de chips IC en un tiempo de muestreo dado coincida sustancialmente con un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra, de una enésima fila de chips IC desde la fila inicial de chips IC en un enésimo tiempo de muestreo posterior al tiempo de muestreo dado, donde n es un número entero que va de 2 a N-1, siendo N el número de filas de chips IC en el conjunto de chips IC. El método puede incluir además capturar las señales de lectura del conjunto de chips IC en una pluralidad de tiempos de muestreo sucesivos de acuerdo con la frecuencia de muestreo. El método puede incluir además comparar señales de lectura para una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera fila de chips IC) (por ejemplo, una señal de lectura para cada chip IC en esta fila de chips IC) capturadas en un tiempo de muestreo dado, con señales de lectura correspondientes para la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la tercera fila de chips IC) (por ejemplo, una señal de lectura para cada chip IC en la tercera fila de chips IC) capturadas en un tiempo de muestreo m-ésimo posterior al tiempo dado, suponiendo que la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC es la fila m-ésima de chips IC desde la una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC, contando todas las filas intermedias de chips IC.

Breve descripción de las figuras

A continuación se explican realizaciones de ejemplo de la descripción haciendo referencia a los dibujos adjuntos, en los que

La figura 1 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una cámara térmica según realizaciones de la descripción,

la figura 2 ilustra esquemáticamente un ejemplo de un conjunto de chips IC (sensor de imagen) en la cámara térmica de la figura 1,

la figura 3 ilustra esquemáticamente un ejemplo de un conjunto de filtros en la cámara térmica de la figura 1, la figura 4 ilustra esquemáticamente un ejemplo de un satélite, según realizaciones de la descripción, que lleva la cámara térmica de la figura 1,

la figura 5 ilustra esquemáticamente un satélite que orbita alrededor de la Tierra, que lleva la cámara térmica, y un campo de visión del conjunto de chips IC en la cámara térmica, y

la figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra esquemáticamente un método de funcionamiento de una cámara térmica, según realizaciones de la descripción, cuando es transportada por un satélite que orbita la Tierra.

Descripción detallada

A continuación, se describirán realizaciones ejemplares de la descripción haciendo referencia a las figuras adjuntas. Los elementos idénticos en las figuras pueden indicarse mediante números de referencia idénticos y pueden omitirse descripciones repetidas de los mismos.

Las limitaciones de diseño de las cámaras térmicas enfriadas activamente (por ejemplo, cámaras IR) dificultan el uso de dichas cámaras térmicas en (nano)satélites pequeños. Las cámaras térmicas no refrigeradas, hasta ahora, sólo son adecuadas para distancias cortas y no ofrecen el rendimiento necesario para medir la temperatura de la superficie de la Tierra desde el espacio con una resolución aceptable. Un enfoque para abordar este problema sería utilizar satélites más grandes (por ejemplo, un Cubesat de 6U en lugar de un Cubesat de 3U), para poder generar la energía necesaria para la refrigeración y para descargar el calor generado.

La presente descripción sigue otro enfoque. En términos generales, la presente descripción propone utilizar conjuntos de termopilas para construir un elemento de formación de imágenes térmicas (sensor de imagen o sensor de cámara) de una cámara térmica.

Una termopila es un dispositivo electrónico que convierte energía térmica en energía eléctrica. Normalmente se compone de varios termopares conectados en serie o en paralelo. Se puede disponer un conjunto de termopilas (conjunto de termopilas) en un chip IC que puede servir como IC de formación de imágenes (IC de cámara) para longitudes de onda de 1 gm a 50 gm. Ventajosamente, un conjunto de termopilas no requiere refrigeración, pero, como desventaja, normalmente tiene una resolución y una sensibilidad insuficientes, y es insensible a longitudes de onda específicas (es decir, reacciona de manera similar a todo el espectro térmico).

La presente descripción se refiere a una cámara térmica que comprende un conjunto de conjuntos de termopilas (por ejemplo, un conjunto de chips IC, comprendiendo cada chip IC un conjunto de termopilas respectivo) junto con un conjunto de filtros para permitir una distinción entre diferentes rangos de longitudes de onda de la radiación (térmica) entrante. Se puede usar un algoritmo dedicado para generar una imagen bidimensional (por ejemplo, cuadrática) a partir de las señales de lectura del conjunto de chips IC (conjunto de conjuntos de termopilas).

La figura 1 ilustra esquemáticamente un ejemplo de una cámara térmica 1 (por ejemplo, una cámara IR) según realizaciones de la descripción. La cámara térmica 1 puede ser adecuada para su uso en al menos uno de entre un satélite, un avión o un vehículo aéreo no tripulado. El satélite puede ser un nanosatélite, tal como un Cubesat (por ejemplo, un Cubesat 3U), por ejemplo.

La cámara térmica 1 comprende un conjunto de lentes 30. En el presente ejemplo, el conjunto de lentes 30 comprende una primera lente 32 y una segunda lente 34, pero también es factible un mayor número de lentes. El conjunto de lentes 30 está dispuesto en una abertura de la cámara térmica 1 (por ejemplo, en una abertura de una carcasa 5 de la cámara térmica 1), para permitir que la radiación electromagnética 35 (por ejemplo, radiación térmica) pase a través del conjunto de lentes 30. Las lentes del conjunto de lentes pueden estar recubiertas para tener una banda de paso en el rango de IR (por ejemplo, en el rango de 8 gm a 12 gm, u opcionalmente, en el rango de 3 a 13 gm, u, opcionalmente, en cualquier otro rango). En general, el conjunto de lentes 30 tiene una longitud de onda de radiación asociada que puede pasar a través del conjunto de lentes 30.

La cámara térmica 1 comprende además un sensor de imagen 10 (sensor de cámara) que está dispuesto en un campo de visión del conjunto de lentes 30. El sensor de imagen 10 está formado por un conjunto de chips IC 11. Cada chip IC 11 comprende un conjunto de dispositivos de termopila. Así, se puede decir que el sensor de imagen está formado por un conjunto de conjuntos de dispositivos termopila.

La cámara térmica 1 comprende además un conjunto de filtros 20 que está dispuesto entre el conjunto de lentes 30 y el sensor de imagen 10 (conjunto de chips IC). El conjunto de filtros 20 está dispuesto a una distancia predeterminada del sensor de imagen 10 (por ejemplo, dentro de un rango de 1 mm a 10 mm), sin hacer contacto con el sensor de imagen 10 (es decir, sin hacer contacto con los chips IC 11 del sensor de imagen 10). El conjunto de filtros 20 comprende uno o más filtros de longitudes de onda. Cada filtro de longitudes de onda puede ser, por ejemplo, un filtro de paso de banda. En particular, cada filtro de longitudes de onda puede ser no transparente en una parte del rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes 30. El propósito del conjunto de filtros 20 es permitir una distinción entre diferentes longitudes de onda o rangos de longitudes de onda, incluso aunque se utilicen dispositivos de termopila en el sensor de imagen 10.

La figura 2 ilustra esquemáticamente un ejemplo del sensor de imagen 10 (conjunto de chips IC) en la cámara térmica 1 de la figura 1. En el conjunto de chips IC, los chips IC 11 están dispuestos en tres o más filas paralelas 15 1, 15-2, 15-3, 15-4 de chips IC. En una realización preferida, el conjunto de chips IC 11 comprende cuatro filas de chips IC, como se ilustra en el ejemplo de la figura 2. Las filas 15 de chips IC pueden ser equidistantes (es decir, tener una separación uniforme entre filas). Además, los chips IC 11 dentro de cada fila pueden ser equidistantes. Por ejemplo, los chips IC 11 en el conjunto de chips IC pueden estar dispuestos en los vértices de una rejilla rectangular regular. La forma general del sensor de imagen 10 puede ser rectangular (por ejemplo, cuadrática) o circular. Para una forma circular, las filas 15 de chips IC pueden tener diferentes longitudes (en términos de un número de chips IC 11). En general, el número de chips IC 11 por fila 15 puede diferir de una fila a otra y puede ser diferente del número total de filas 15 en el conjunto de chips IC.

En el caso más general, el conjunto de chips IC comprende tres o más filas 15 de chips IC, entre estas un par de filas no adyacentes de chips IC y una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC. El par de filas pueden ser las filas exteriores del conjunto de chips IC (por ejemplo, filas 15-1 y 15-4 en el ejemplo de la figura 2). Estas filas están separadas por al menos una fila de chips IC (por ejemplo, por dos filas de chips IC en el ejemplo de la figura 2). Las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC pueden ser las filas intermedias (o interiores) del conjunto de chips IC (por ejemplo, las filas 15-2 y 15-3 en el ejemplo de la figura 2).

En un ejemplo de este caso, las tres o más filas 15 de chips IC incluyen filas primera a tercera de chips IC (y posiblemente filas adicionales de chips IC). En este, la segunda fila de chips IC está dispuesta en una posición intermedia entre la primera y la tercera filas de chips IC. Es decir, la primera y la tercera filas de chips IC están separadas por al menos una fila de chips IC. La primera y la tercera filas pueden ser las filas exteriores del conjunto de chips IC. La segunda fila de chips IC es una (o la) fila intermedia (o interior) de chips IC.

En un ejemplo más específico, el conjunto de chips IC incluye además una cuarta fila de chips IC que también está dispuesta en una posición intermedia entre la primera y la tercera filas de chips IC. En este caso, las filas primera y tercera de chips IC están separadas por al menos dos filas de chips IC. La primera y la tercera filas pueden ser las filas exteriores del conjunto de chips IC. La segunda y la cuarta filas de chips IC son filas intermedias (o interiores) de chips IC.

Refiriéndose nuevamente a la figura 2, la fila 15-1 puede ser la primera fila de chips IC, la fila 15-4 puede ser la tercera fila de chips IC y las filas 15-2, 15-3 pueden ser la segunda y la cuarta filas de chips IC (o viceversa).

La figura 3 ilustra esquemáticamente un ejemplo de un conjunto de filtros 20 en la cámara térmica 1 de la figura 1. El conjunto de filtros 20 comprende uno o más filtros de longitudes de onda.

Como se muestra en la figura, el conjunto de filtros 20 comprende una pluralidad de franjas 25-1, 25-2, 25-3, 25-4, en cada una de las cuales puede estar dispuesto un filtro de longitudes de onda respectivo. Las franjas 25 están alineadas (espacialmente) con respectivas filas 15 de chips IC, de modo que un filtro de longitudes de onda que está dispuesto en una franja determinada está alineado (espacialmente) con una fila correspondiente 15 de chips IC. Aquí, un filtro de longitudes de onda que está alineado (espacialmente) con una respectiva fila correspondiente 15 de chips IC significa que el filtro de longitudes de onda cubre sustancialmente sólo la fila correspondiente 15 de chips IC, cuando se ve desde el conjunto de lentes 30. Es decir, cada filtro de longitudes de onda filtra radiación que incide en la respectiva fila correspondiente 15 de chips IC, pero no filtra la radiación que incide en filas vecinas 15 de chips IC.

En el caso más general, el conjunto de filtros 20 comprende un filtro de longitudes de onda respectivo para al menos una de las filas de chips IC (por ejemplo, para al menos una de las filas primera a tercera de chips IC). El o los filtros de longitudes de onda están dispuestos en franjas respectivas que corresponden a al menos una de las filas de chips IC. Además, el conjunto de filtros 20 está configurado de manera que un rango de longitudes de onda de radiación (térmica) que puede pasar a una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera fila de chips IC) es (sustancialmente) el mismo que un rango de longitudes de onda de radiación (térmica) que puede pasar a la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la tercera fila de chips IC). Este rango de longitudes de onda, por otra parte, es diferente de un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a (cualquiera de) las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la segunda fila de chips IC que está dispuesta en la posición intermedia entre la primera y la tercera filas de chips IC). En algunas realizaciones, el rango de longitudes de onda para el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) puede ser más ancho que el rango de longitudes de onda para las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la segunda fila de chips IC). Por ejemplo, el rango o rangos de longitudes de onda de radiación que pueden pasar a las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC pueden estar completamente incluidos en el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a la par de filas no adyacentes de chips IC.

Por ejemplo, el conjunto de filtros 20 puede comprender un filtro de longitudes de onda respectivo para las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la segunda fila de chips IC), de manera que las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC reciben radiación (térmica) filtrada, mientras que el conjunto de filtros 20 no comprende filtros de longitudes de onda respectivos para el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) (franjas vacías 25), de modo que la radiación (térmica) que puede pasar al par de filas no adyacentes de chips IC no es filtrada por el conjunto de filtros 20. En lugar de omitir filtros de longitudes de onda para el par de filas no adyacentes de chips IC, el conjunto de filtros 20 puede comprender respectivos filtros de longitudes de onda que son completamente transparentes en el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes 30.

En cualquier caso, en este ejemplo el rango de longitudes de onda de la radiación que puede pasar al par de filas no adyacentes de chips IC no se reduce más mediante el conjunto de filtros 20, comparado con un rango completo de longitudes de onda, que es el rango de longitudes de onda de la radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes 30 (o el rango de longitudes de onda en el que la atmósfera terrestre es transparente a la radiación térmica, por ejemplo, de 8 gm a 12 gm así como de 4±0,5 gm). Así, el rango de longitudes de onda de la radiación que puede pasar al par de filas no adyacentes de chips IC abarca el rango completo de longitudes de onda de la radiación. En general, el rango completo de longitudes de onda se puede definir como el posible rango de longitudes de onda de radiación (térmica) que puede pasar tanto por la atmósfera como por el conjunto de lentes 30.

Por consiguiente, el rango o rangos de longitudes de onda de radiación que pueden pasar a las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la segunda fila de chips IC) es o son más estrechos que las rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar al par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC). Por ejemplo, la anchura del rango de longitudes de onda de la radiación que puede pasar al par de filas no adyacentes de chips IC puede ser al menos el 150 por ciento (por ejemplo, al menos el doble) de la anchura del rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a (cualquiera de) las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC. Además, el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar al par de filas no adyacentes de chips IC puede abarcar al menos dos tercios (por ejemplo, al menos 90 por ciento) del rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes 30 ( o del rango de longitudes de onda en el que la atmósfera es transparente a la radiación térmica).

En un ejemplo alternativo, el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) pueden tener filtros de longitudes de onda correspondientes (sustancialmente idénticos) en el conjunto de filtros 20, mientras que las una o más filas de chips IC distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la segunda fila de chips IC) reciben radiación que no es filtrada adicionalmente por el conjunto de filtros 20 (por ejemplo, no hay ningún filtro en el conjunto de filtros 20 para la segunda fila de chips IC).

En el caso en que el conjunto de chips IC comprende cuatro filas de chips IC (por ejemplo, la primera a la cuarta filas de chips IC), el conjunto de filtros 20 puede comprender filtros de longitudes de onda respectivos para las dos filas intermedias (o interiores) de chips IC (por ejemplo, la segunda y la cuarta filas de chips IC), mientras que la radiación que puede pasar a las filas exteriores de chips IC (por ejemplo, la primera y la tercera filas de chips IC) no es filtrada por el conjunto de filtros 20. Entonces, es preferible que los rangos de longitudes de onda de la radiación (térmica) que pueden pasar a través de los filtros de longitudes de onda para las filas intermedias de chips IC sean diferentes entre sí (esto puede ser cierto también en el caso más general). Por ejemplo, estos rangos de longitudes de onda pueden ser disjuntos. Los rangos de longitudes de onda para las filas intermedias de chips IC se pueden seleccionar de acuerdo con requisitos de la aplicación respectiva (por ejemplo, aplicación meteorológica o detección de incendios). Por ejemplo, los rangos de longitudes de onda para las filas interiores de chips IC pueden seleccionarse para permitir un cálculo de la temperatura en la superficie de la Tierra.

En un ejemplo en el que el conjunto de filtros comprende filtros de longitudes de onda respectivos para las dos filas interiores de chips IC (por ejemplo, la segunda y la cuarta filas de chips IC), uno de los filtros de longitudes de onda puede ser transparente (es decir, puede tener una banda de paso) en el rango de longitudes de onda de 8 gm a 10 gm (bloqueando otras longitudes de onda en el rango de 8 gm a 12 gm), y el otro filtro de longitudes de onda puede ser transparente en el rango de longitudes de onda de 10 gm a 12 gm (bloqueando otras longitudes de onda en el rango de 8 gm a 12 gm).

En general, el rango de longitudes de onda de radiación (térmica) que puede pasar a través del conjunto de lentes (por ejemplo, el rango de longitudes de onda de 3,5 gm a 13 gm o de 8 gm a 12 gm) puede dividirse mediante los filtros de longitudes de onda del conjunto de filtros 20.

En la realización preferida, el conjunto de chips IC comprende cuatro filas de chips IC. El correspondiente conjunto de filtros 20 comprende respectivos filtros de longitudes de onda para las dos filas intermedias (o interiores) de chips IC que están dispuestas en el medio (franjas 25-2 y 25-3 en la figura 2), mientras que la radiación (térmica) que puede pasar a las dos filas exteriores de chips IC no es filtrada (sustancialmente) por el conjunto de filtros 20, comparada con el rango completo de longitudes de onda (por ejemplo, de 8 gm a 12 gm). Por consiguiente, las dos franjas exteriores del conjunto de filtros de cuatro franjas 30 (franjas 25-1 y 25-4 en la figura 2) pueden estar vacías (sin filtro). Los filtros de longitudes de onda para las filas de chips IC que están dispuestas en el medio (franjas 25-2 y 25-3) pueden ser diferentes entre sí. En particular, sus bandas de paso pueden ser disjuntas, por ejemplo para dividir el rango completo de longitudes de onda (por ejemplo, en mitades iguales).

En la cámara térmica 1 según la presente descripción, siempre hay dos filas de chips IC que están separadas por al menos una fila intermedia de chips IC (por ejemplo, el par de filas exteriores, o la primera y la tercera filas de chips IC) y que reciben radiación (térmica) en el mismo rango de longitudes de onda. Como se detallará más adelante, esto permite comparar las señales de lectura (imágenes térmicas) para estas dos filas de chips IC si las señales de lectura (imágenes térmicas) se capturan en tiempos de muestreo desplazados apropiadamente. Dado que para tiempos de muestreo desplazados apropiadamente estas señales de lectura (imágenes térmicas) se refieren a la misma parte (píxel) de la superficie de la Tierra, capturadas en diferentes tiempos y, por lo tanto, desde diferentes ángulos, esto permite aplicar estereoscopía para inferir propiedades de la atmósfera sobre dicha parte de la superficie de la Tierra. Además, en la cámara térmica 1 según la presente descripción, siempre hay pares de filas de chips IC que reciben radiación (térmica) en diferentes rangos de longitudes de onda. Al comparar las señales de lectura (imágenes térmicas) de estos pares de filas capturadas en tiempos de muestreo desplazados apropiadamente, se puede obtener información sobre una imagen térmica en un rango de longitudes de onda que se obtiene restando el rango de longitudes de onda de una fila en el par, del rango de longitudes de onda de la otra fila del par. Asimismo, comparar señales de lectura (imágenes térmicas) correspondientes a una misma parte de la superficie de la Tierra pero capturadas en diferentes rangos de longitudes de onda permite inferir la temperatura real de dicha parte de la superficie de la Tierra.

Finalmente, el conjunto de chips IC de la cámara térmica 1 permite construir imágenes térmicas bidimensionales (por ejemplo, cuadráticas) de la superficie de la Tierra. En particular, se pueden obtener imágenes bidimensionales de la misma parte de la superficie de la Tierra, pero vista desde diferentes ángulos, mediante una combinación apropiada de las señales de lectura (imágenes térmicas) capturadas por las filas de chips IC. Aplicando métodos estereoscópicos a estas imágenes térmicas bidimensionales, se puede inferir información adicional, por ejemplo relativa a una forma tridimensional de las nubes en el campo de visión de la cámara térmica 1.

En consecuencia, al analizar conjuntamente las señales de lectura (imágenes térmicas) capturadas de diferentes filas de chips IC, posiblemente capturadas en tiempos de muestreo desplazados apropiadamente, se puede inferir información adicional que permite compensar con creces la resolución térmica limitada de los chips IC del conjunto de termopilas en el sensor de imagen 10.

En la realización preferida, la cámara térmica 1 propuesta permite medir la radiación térmica en dos longitudes de onda diferentes (las dos filas intermedias (o interiores), por ejemplo, la segunda y la cuarta filas de chips IC), lo que es necesario para una corrección numérica de la emisividad de la superficie de la Tierra o de las nubes. Además, permite corregir las perturbaciones atmosféricas mediante el método de dos ángulos (por ejemplo, método estereoscópico) utilizando la primera y la tercera filas de chips IC.

La figura 4 ilustra esquemáticamente un ejemplo de un satélite 100 que comprende (por ejemplo, lleva/alberga) una cámara térmica, por ejemplo la cámara térmica 1 (cámara IR) de la figura 1. El satélite 100 puede ser un satélite de observación de la Tierra, en particular un satélite meteorológico. Además, el satélite 100 puede ser un nanosatélite, tal como un Cubesat (por ejemplo, un Cubesat 3U), por ejemplo.

Además de la cámara térmica 1, el satélite 100 comprende circuitos de lectura 40 y, opcionalmente, circuitos de control 50 para controlar el funcionamiento del satélite 100. Los circuitos de lectura 40 pueden estar configurados para capturar señales de lectura (imágenes térmicas) del conjunto de chips IC en tiempos de muestreo respectivos que están dictados por una frecuencia de muestreo.

La figura 5 ilustra esquemáticamente un campo de visión del conjunto de chips IC (sensor de imagen 10) cuando la cámara térmica 1 es transportada por un satélite 100 que orbita la Tierra. El satélite puede ser el satélite 100 de la figura 4.

El satélite 100 se mueve en una órbita 60 (por ejemplo, órbita terrestre baja (LEO)) alrededor de la Tierra con una dirección (tangencial) de movimiento 65. El satélite 100 puede rodear la Tierra con un período orbital T (por ejemplo, aproximadamente 90 minutos para una LEO).

La cámara térmica 1 está dispuesta dentro del satélite 100 de modo que mira hacia la superficie de la Tierra 70. En particular, la cámara térmica 1 y/o el satélite 100 pueden estar dispuestos u orientados de modo que un eje óptico principal (dirección de observación) de la cámara térmica 1 es (sustancialmente) perpendicular a la superficie de la Tierra 70. El sensor de imagen 10 (conjunto de chips IC) está orientado en un plano tangencial en la órbita 60, es decir, en un plano con una superficie normal que apunta hacia el centro de la Tierra. Cada una de las filas 15 de chips IC está orientada perpendicularmente a un plano abarcado por la dirección de vuelo 65 del satélite y perpendicular a la superficie de la Tierra (es decir, la dirección de observación). Con esta orientación de las filas 15 de chips IC, un píxel en una trayectoria terrestre del satélite 100 es barrido sucesivamente por los campos de visión de las filas 15 de chips IC, desde una fila inicial a una fila final. el ejemplo de la figura 5 supone cuatro filas 15 de chips IC, con los correspondientes campos de visión 80-1, 80-2, 80-3, 80-4 proyectados sobre la superficie de la Tierra 70. Cada campo de visión 80 proyectado sobre la superficie de la Tierra 70 tiene la forma de un rectángulo. Las longitudes L de estos campos de visión 80 a lo largo de una trayectoria terrestre del satélite 100 pueden ser iguales. La longitud L puede definir una resolución espacial a lo largo de la trayectoria terrestre. Una unidad cuadrada de área LxL puede denominarse píxel. Cada uno de estos píxeles puede corresponder a un chip IC respectivo.

Dada esta configuración, se establece una frecuencia de muestreo f para capturar señales de lectura (imágenes térmicas) del conjunto de chips IC, en función de un período orbital T del satélite 100 y de la longitud L (a lo largo de la trayectoria terrestre) del campo de visión de cada fila de chips IC proyectados sobre la superficie de la Tierra. En particular, la frecuencia de muestreo para capturar señales de lectura del conjunto de chips IC puede establecerse de modo que un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra, de la fila inicial de chips IC en un tiempo de muestreo dado coincida sustancialmente con un campo de visión, proyectada sobre la superficie de la Tierra, de una enésima fila de chips IC desde la fila inicial de chips IC en un enésimo tiempo de muestreo posterior al tiempo de muestreo dado, donde n es un número entero que va de 2 a N-1, siendo N el número de filas 15 de chips IC en el conjunto de chips IC. Entonces, el campo de visión de la fila inicial en un tiempo de muestreo determinado es el mismo que el campo de visión de la fila siguiente a la inicial en el siguiente tiempo de muestreo, y así sucesivamente. De este modo, un píxel en la trayectoria terrestre del satélite 100 es capturado sucesivamente por cada fila de chips IC dentro del conjunto de chips IC, desde la fila inicial hasta la fila final. Si R es el radio terrestre (medio) para la trayectoria terrestre del satélite 100 en la órbita 60, la frecuencia de muestreo f puede estar dada por f = (2-R-n)/(LT). Esta elección de la frecuencia de muestreo f hace el campo de visión capturado de una determinada fila de chips IC comparable a los campos de visión capturados de sus filas vecinas en tiempos de muestreo desplazados apropiadamente. De este modo, al tomar diferencias entre señales de lectura para un píxel o campo de visión determinado proyectado sobre la superficie de la Tierra que corresponden a diferentes filas de chips IC, se puede obtener información sobre rangos de longitudes de onda que está relacionada con diferencias entre rangos de longitudes de onda. Esto supone que los rangos de longitudes de onda involucrados se superponen completamente, es decir, uno está completamente incluido en el otro. Por ejemplo, si las señales de lectura para un campo de visión determinado en tierra están disponibles de 8 μm a 12 μm y de 10 μm a 12 μm, se puede obtener una señal de lectura de 8 μm a 10 μm tomando una diferencia adecuada entre las dos señales de lectura.

En lo anterior, se entiende que los tiempos de muestreo desplazados apropiadamente están desplazados en múltiplos enteros de un período de muestreo t = 1/f con la frecuencia de muestreo f. Para dos diferentes filas de chips IC, siendo una la m-ésima fila desde la fila inicial y la otra la n²-ésima fila desde la fila inicial, los tiempos de muestreo tendrían que desplazarse en At = (n²- m)-t. Por ejemplo, para cuatro filas de chips IC en el conjunto de chips IC, los tiempos de muestreo para las filas exteriores de chips IC tendrían que desplazarse en At = 3 t = 3/f para que las imágenes térmicas capturadas por estas filas de chips IC se refieran al mismo campo de visión en tierra y, por lo tanto, sean comparables entre sí.

En la cámara térmica 1 según la presente descripción, siempre hay dos filas de chips IC que están separadas por al menos una fila intermedia de chips IC (por ejemplo, las dos filas exteriores o la primera y la tercera filas de chips IC) y que reciben radiación (térmica) en el mismo rango de longitudes de onda. Si las señales de lectura (imágenes térmicas) para estas filas de chips IC se capturan en tiempos de muestreo desplazados apropiadamente, estas señales de lectura (imágenes térmicas) se refieren a la misma parte de la superficie de la Tierra, capturadas en diferentes tiempos y, por lo tanto, desde diferentes ángulos. Esto permite aplicar estereoscopía para inferir propiedades de la atmósfera sobre dicha parte de la superficie de la Tierra. Además, en la cámara térmica 1 según la presente descripción, siempre hay pares de filas de chips IC que reciben radiación (térmica) en diferentes rangos de longitudes de onda. Al comparar señales de lectura (imágenes térmicas) de estos pares de filas, capturadas en tiempos de muestreo desplazados apropiadamente, se puede obtener información sobre una imagen térmica en un rango de longitudes de onda que se obtiene restando el rango de longitudes de onda de una fila del par del rango de longitudes de onda de la otra fila del par. Asimismo, comparar señales de lectura (imágenes térmicas) correspondientes a una misma parte de la superficie de la Tierra pero capturadas en diferentes rangos de longitudes de onda permite inferir la temperatura real de dicha parte de la superficie de la Tierra.

Finalmente, el conjunto de chips IC de la cámara térmica 1 permite construir imágenes (térmicas) bidimensionales de la superficie de la Tierra. En particular, se pueden obtener imágenes bidimensionales de la misma parte de la superficie de la Tierra, pero vistas desde diferentes ángulos, mediante una combinación apropiada de las señales de lectura (imágenes térmicas) capturadas por las filas de chips IC. Aplicando métodos estereoscópicos a estas imágenes bidimensionales (térmicas), se puede inferir información adicional, por ejemplo sobre una forma tridimensional de las nubes en el campo de visión de la cámara térmica 1 a bordo del satélite 100.

Por consiguiente, los circuitos de lectura 40 del satélite 100 pueden estar configurados para comparar señales de lectura para una determinada fila de chips IC (por ejemplo, la una fila en el par de filas no adyacentes de chips IC, o la primera fila de chips IC en el ejemplo descrito anteriormente) capturadas en un tiempo de muestreo dado, con correspondientes señales de lectura para otra fila de chips IC (por ejemplo, la otra fila en el par de filas no adyacentes de chips IC, o la tercera fila de chips IC en el ejemplo descrito arriba) capturadas en un tiempo de muestreo desplazado apropiadamente (por ejemplo, un tiempo de muestreo m-ésimo posterior al tiempo dado, suponiendo que la otra fila en el par de filas no adyacentes de chips IC es la fila m-ésima de chips IC desde la una fila en el par de pares de chips IC no adyacentes, contando todas las filas intermedias de chips IC).

Volviendo al ejemplo anterior en el que las tres o más filas de chips IC incluyen las primera a tercera filas de chips IC, la primera fila de chips IC puede ser la fila inicial y la tercera fila de chips IC puede ser la fila final. La segunda fila (y opcionalmente, la cuarta fila) están dispuestas entre las filas inicial y final. Suponiendo que el conjunto de chips IC incluye N filas en total (por ejemplo, N = 4 en la realización preferida), las señales de lectura para la primera fila de chips IC se pueden comparar con las señales de lectura de la tercera fila de chips IC, por ejemplo para un análisis estereoscópico, si las últimas se obtienen tres períodos de muestreo después.

La figura 6 es un diagrama de flujo que ilustra esquemáticamente un método 600 para hacer funcionar la cámara térmica 1 cuando está a bordo de un satélite que orbita la Tierra, suponiendo que la cámara térmica está dispuesta de tal manera que mira hacia la superficie de la Tierra y las filas de chips IC están orientadas en perpendicular a un plano definido por una dirección de vuelo del satélite y una perpendicular a la superficie de la Tierra. El método puede realizarse mediante los circuitos de lectura 40, por ejemplo. El método comprende, en la etapa S610, establecer una frecuencia de muestreo para capturar señales de lectura del conjunto de chips IC de modo que un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra, de una fila inicial de chips IC en un tiempo de muestreo determinado coincida sustancialmente con un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra, de una enésima fila de chips IC de la primera fila de chips IC en un enésimo tiempo de muestreo posterior al tiempo de muestreo dado, donde n es un número entero comprendido entre 2 y N-1, siendo N el número de filas de chips IC en el conjunto de chips IC. Esta frecuencia de muestreo f puede calcularse como se indicó anteriormente, por ejemplo.

En la etapa S620, las señales de lectura del conjunto de chips IC se capturan en una pluralidad de tiempos de muestreo sucesivos de acuerdo con la frecuencia de muestreo. Es decir, los tiempos de muestreo sucesivos pueden estar separados en el tiempo mediante 1/f entre sí.

Finalmente, en la etapa S630, las señales de lectura para una fila en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la primera fila de chips IC) capturadas en un tiempo de muestreo determinado se comparan con las señales de lectura correspondientes para la otra fila en el par de filas no adyacentes de chips IC (por ejemplo, la tercera fila de chips IC) capturadas en un tiempo de muestreo m-ésimo posterior al tiempo dado, suponiendo que la otra fila en el par de filas no adyacentes de chips IC es la fila m-ésima de chips IC desde la una fila en el par de filas no adyacentes de chips IC, contando todas las filas intermedias de chips IC. En general, el método puede comprender comparar las señales de lectura (imagen térmica) de cualquier fila de chips IC capturadas en un tiempo de muestreo determinado con las señales de lectura de cualquier otra fila de chips IC en un tiempo de muestreo adecuadamente desplazado (es decir, desplazado por un múltiplo entero de 1/f). Si los rangos de longitudes de onda de la radiación (térmica) que pueden alcanzar las respectivas filas de chips IC son idénticos, esto permite un análisis estereoscópico. Si los rangos de longitudes de onda son diferentes, esto permite inferir señales de lectura para el campo de visión respectivo proyectado sobre el suelo en nuevos rangos de longitudes de onda (diferenciales), como se señaló anteriormente. Preferiblemente, las señales de lectura para las dos filas exteriores (es decir, la fila inicial y la fila final) se comparan entre sí.

Claims

REIVINDICACIONES

1. Una cámara térmica (1) que comprende:

un conjunto de lentes (30);

un conjunto de chips de circuito integrado, IC (11) que está dispuesto en un campo de visión del conjunto de lentes, comprendiendo cada chip IC un conjunto de dispositivos termopila; y

un conjunto de filtros (20) que comprende uno o más filtros de longitudes de onda,

en el que los chips IC (11) están dispuestos en tres o más filas paralelas de chips IC (15-1, 15-2, 15-3, 15-4) que incluyen un par de filas no adyacentes de chips IC (15- 1, 15-4) y una o más filas de chips IC (15-2, 15-3) distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4);

en el que el conjunto de filtros (20) está dispuesto entre el conjunto de chips IC (11) y el conjunto de lentes (30), y comprende un filtro de longitudes de onda respectivo para al menos una de las tres o más filas de chips IC, en el que el al menos un filtro de longitudes de onda es transparente en una parte de un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes (30);

en el que el conjunto de filtros (20) está configurado además de manera que la radiación del mismo rango de longitudes de onda puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15 4), y de manera que el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4) es diferente de un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las una o más filas de chips IC (15-2, 15-3) distintas del par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4); y

en el que el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4) abarca el rango completo de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes (30).

2. La cámara térmica (1) según la reivindicación 1, en la que el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4) es mayor que el rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a las una o más filas de chips IC (15-2, 15-3) distintas al par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4), en al menos un 50 por ciento.

3. La cámara térmica (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el conjunto de chips IC incluye al menos dos filas interiores de chips IC que están dispuestas en posiciones intermedias respectivas entre las filas de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4);

en el que el conjunto de filtros (20) comprende un filtro de longitudes de onda respectivo para cada una de las al menos dos filas interiores de chips IC; y

en el que los rangos de longitudes de onda de radiación que pueden pasar a través de los respectivos filtros de longitudes de onda para las al menos dos filas interiores de chips IC son diferentes entre sí.

4. La cámara térmica (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que un rango de longitudes de onda de radiación que puede pasar a través del conjunto de lentes (30) está dividido por los filtros de longitudes de onda del conjunto de filtros (20).

5. La cámara térmica (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el conjunto de chips IC es un conjunto rectangular o circular.

6. La cámara térmica (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en la que el conjunto de filtros (20) está dispuesto a una distancia predeterminada del conjunto de chips IC.

7. La cámara térmica (1) según la reivindicación 1, donde la cámara térmica (1) es adecuada para su uso en al menos uno de entre un satélite, un avión o un vehículo aéreo no tripulado.

8. Un satélite (100) que comprende la cámara térmica (1) según cualquiera de las reivindicaciones anteriores.

9. El satélite (100) según la reivindicación 8, en el que la cámara térmica (1) está dispuesta de manera que mira hacia la superficie de la Tierra (70) y las filas de chips IC (11) están orientadas en perpendicular a un plano abarcado por una dirección de vuelo del satélite y una perpendicular a la superficie de la Tierra (70).

10. El satélite (100) según la reivindicación 8 ó 9, en el que una frecuencia de muestreo para capturar señales de lectura del conjunto de chips IC se establece dependiendo de un período orbital del satélite y de una longitud a lo largo de la trayectoria terrestre del satélite de un campo de visión, proyectada sobre la superficie de la Tierra (70), de cada fila de chips IC.

11. El satélite (100) según cualquiera de las reivindicaciones 8 a 10, en el que una frecuencia de muestreo para capturar señales de lectura del conjunto de chips IC se establece de manera que un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra (70), de una fila inicial de chips IC en un tiempo de muestreo dado coincide sustancialmente con un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra (70), de una enésima fila de chips IC desde la fila inicial de chips IC en un tiempo de muestreo enésimo posterior al tiempo de muestreo dado, donde n es un número entero que va de 2 a N-1, siendo N el número de filas de chips IC en el conjunto de chips IC.

12. El satélite (100) según la reivindicación 11, que comprende además circuitos de lectura para capturar las señales de lectura del conjunto de chips IC en tiempos de muestreo respectivos dados por la frecuencia de muestreo, en el que los circuitos de lectura están configurados para comparar señales de lectura para una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4) capturadas en un tiempo de muestreo determinado con señales de lectura correspondientes para la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4) capturadas en un tiempo de muestreo m-ésimo posterior al tiempo dado, suponiendo que la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4) es la m-ésima fila de chips IC desde la una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4), contando todas las filas intermedias de chips IC.

13. Un método (600) para hacer funcionar la cámara térmica (1) según cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7 cuando está a bordo de un satélite (100) que orbita la Tierra, cuando la cámara térmica (1) está dispuesta de manera que mira hacia la superficie de la Tierra (70) y las filas de chips IC (11) están orientadas perpendicularmente a un plano abarcado por una dirección de vuelo del satélite (100) y una perpendicular a la superficie de la Tierra (70), comprendiendo el método (600):

establecer (S610) una frecuencia de muestreo para capturar señales de lectura del conjunto de chips IC de manera que un campo de visión, proyectado sobre la superficie de la Tierra (70), de una fila inicial de chips IC en un tiempo de muestreo dado coincida sustancialmente con un campo de visión, proyectada sobre la superficie de la Tierra (70), de una enésima fila de chips IC desde la fila inicial de chips IC en un enésimo tiempo de muestreo posterior al tiempo de muestreo dado, donde n es un número entero comprendido entre 2 y N-1, siendo N el número de filas de chips IC en el conjunto de chips IC;

capturar (S620) las señales de lectura del conjunto de chips IC en una pluralidad de tiempos de muestreo sucesivos de acuerdo con la frecuencia de muestreo; y

comparar (S630) señales de lectura para una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15 1, 15-4) capturadas en un tiempo de muestreo dado con señales de lectura correspondientes para la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4) capturadas en un tiempo de muestreo mésimo posterior al tiempo dado, suponiendo que la otra fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4) es la m-ésima fila de chips IC desde la una fila de chips IC en el par de filas no adyacentes de chips IC (15-1, 15-4), contando todas las filas intermedias de chips IC.