Ny hærteknologi guider soldater i fuldstændigt mørke

Forskere ved U.S. Army Research Laboratory har udviklet en ny type termisk billedkamera, der gør det muligt for soldater at se skjulte objekter, som tidligere var uopdagelige.

Dr. Kristan Gurton, en eksperimentel fysiker i Direktoratet for Computational and Information Sciences, og Dr. Sean Hu, en elektronikingeniør i direktoratet for sensorer og elektronenheder, leder denne indsats for laboratoriet.

Ifølge Gurton, alle objekter, der har en temperatur uden nul, udsender termisk stråling i den infrarøde del af spektret, og intensiteten af ​​denne stråling er proportional med dens temperatur.

Termisk stråling er altid til stede i miljøet, uanset om det er dag eller nat, derfor bruger hæren termiske kameraer til at se genstande, der ofte er gemt i mørke.

Imidlertid, ud over intensiteten af ​​den infrarøde stråling, der er en anden egenskab ved lys, som ofte ignoreres, når det kommer til billeddannelse:polarisationstilstand.

"Forskere har vidst i omkring 30 år, at menneskeskabte genstande udsender termisk stråling, der er delvist polariseret, for eksempel, lastbiler, fly, bygninger, køretøjer, etc., og at naturlige genstande som græs, jord, træer og buske har en tendens til at udsende termisk stråling, der udviser meget lidt polarisering, " sagde Gurton. "Vi har udviklet, med hjælp fra den private sektor, en speciel type termisk kamera, der kan optage billeder, der udelukkende er baseret på lysets polarisationstilstand frem for intensiteten. Denne yderligere polarimetriske information vil gøre det muligt for soldater at se skjulte objekter, der tidligere ikke var synlige, når de brugte konventionelle termiske kameraer."

Gurton forfølger udviklingen af ​​kamerahardwaren, mens Hu arbejder på software designet til bedst muligt at udnytte den yderligere information termisk polarimetrisk billeddannelse giver.

Ifølge Gurton, mens hæren altid har haft et robust konventionelt termisk billedbehandlingsprogram, hans indsats er en naturlig progression, der forsøger at fremme teknologien yderligere.

"Soldatspecifikke applikationer, som vi har undersøgt, omfatter påvisning af skjulte trip-wires og booby-fælder, forbedret evne til at se camouflerede mål, identifikation af begravede landminer og improviserede eksplosive anordninger og forbedret målretning og sporing af missiler, mørtler, ubemandede luftfartøjer og andre luftbårne trusler, "Sagde Gurton.

Holdets seneste og spændende opdagelse involverer evnen til at opdage og identificere specifikke menneskelige emner under fuldstændig mørke.

"Forud for vores forskning på ARL, den eneste måde at se mennesker på om natten var at bruge konventionel termisk billeddannelse, " sagde Gurton. "Desværre, sådanne billeder er plaget af en "ghosting"-effekt, hvor detaljerede ansigtstræk, der kræves til menneskelig identifikation, går tabt. Imidlertid, når polarisationsinformation er inkluderet i det termiske billede, dvs. et termisk polarimetrisk billede, fine ansigtsdetaljer kommer frem, som gør det muligt at anvende ansigtsgenkendelsesalgoritmer."

På grund af de tekniske vanskeligheder med at bygge termiske polarimetriske kamerasystemer, meget lidt forskning var blevet udført forud for Gurton og Hus involvering i at studere dette nye fænomen, der startede i 2005.

"Vores primære mål var at udvikle en ny type kamerasystem, der kunne registrere objekter, der var vanskelige, eller umuligt, at se ved hjælp af de nyeste termiske kameraer, " sagde Gurton.

"Vi arbejder med den private sektor på en to-benet tilgang, hvor både forskningskvalitet og robuste kommercielle kvalitet polarimetriske kameraer bliver udviklet, " sagde Gurton. "Det er vores håb, at i fremtiden, alle udsendte termiske billedsystemer fra Department of Defense vil have en polarimetrisk evne, der kan implementeres med et enkelt tryk på en knap."

Forskernes primære partner i den private sektor, der beskæftiger sig med polarimetrisk billeddannelse, er Polaris Sensor Technologies, Inc., i Huntsville, Alabama.

Forholdet mellem ARL og Polaris er blevet formaliseret gennem Army's Small Business Innovation Research-program.

"Målet med forholdet til Polaris er at overvinde alle de tekniske problemer, der plagede tidligere forsøg på et nyt termisk kamera, og vi har haft succes lige siden implementeringen af ​​denne nye teknologi, " sagde Gurton.

"Kort efter jeg blev ansat på ARL som eksperimentel fysiker i 1998, Jeg arvede en flok gamle 1980'ers vintage termokameraer fra en pensioneret videnskabsmand, " sagde Gurton. "Jeg blev interesseret i at studere termisk udstråling, og jeg ville gøre noget, der var nyt og nyt, og det var ikke blevet udtømmende undersøgt. Jeg fandt adskillige gamle tekniske papirer fra 1980'erne, der beskrev mislykkede forsøg på at implementere termisk polarimetrisk billeddannelse."

Da Gurton talte med de forskellige ingeniører i både den private sektor og DOD, som var involveret i den tidligere indsats, de udtalte de problemer, der begrænsede tidligere forsøg, skyldtes alt for komplekst design, hvilket førte til væsentlige pixel fejlregistreringsfejl, hvilket gjorde systemerne ubrugelige.

"Vi tog disse erfaringer, og jeg udstedte min første Small Business Innovation Research-kontrakt med Dr. David Chenault fra SY Technologies, nu præsident hos Polaris Sensor Technologies, " sagde Gurton.

Hovedproblemerne med tidligere indsats var todelt. Først, tidlige indsatser var alt for komplekse, hun sagde.

"Tidligt, forskere forsøgte at placere mikropolarisatorer på individuelle mikron-størrelse pixels i det infrarøde focal-plane-array, eller FPA, " sagde Gurton. "Både FPA'erne og mikropixel polarisatorteknologien i 80'erne og 90'erne var ret usofistikerede. Under min første kontrakt, Jeg understregede en KISS-tilgang, for eksempel, hold det simpelt dumt, og jeg insisterede på, at konkurrerende virksomheder undgår den såkaldte mikropixel-tilgang og foreslår meget enkle koncepter for at producere et kalibreret termisk polarimetrisk kamerasystem i forskningskvalitet, der rent faktisk ville fungere. Til dette nye design, vi besluttede os for en simpel tilgang til roterende elementer, som stadig er guldstandarden i dag. "

Det andet problem involverede fejlregistrering af billeder, der plagede tidligere systemer, hun sagde.

"Generelt, et polarimetrisk billede er faktisk en subtraktion af to perfekt registrerede billeder, "Sagde Gurton." Hvis de to billeder er lidt forkert registreret, det vil ikke virke. Vi satte et mål om en minimumsgrad af fejlregistrering på 1/10 af en pixel, der skulle opfyldes. I øjeblikket, Polaris Sensor Technologies, Inc., rutinemæssigt udvikle systemer, der har mindre end 1/20 pixelfejlregistrering. "

Gurton sagde, at hun tror på, at fremtiden for kommercialisering vil involvere implementering af den tidligere mikropixel FPA-tilgang, der viste sig at være så vanskelig, og er stadig yderst teknisk udfordrende.

På trods af vanskelighederne, Polaris har med succes produceret et mikropixelbaseret kamera ved hjælp af ukølede mikrobolometre og demonstrerer det i hærens felttest og på droner.

Med hensyn til de næste skridt for at bringe denne teknologi ud i livet, Gurton og de andre forskere arbejder aktivt på at miniaturisere kameraplatformen og gøre systemerne mere overkommelige.