在飛艇上進(jìn)行城市級(jí)熱紅外高清繪圖

導(dǎo)讀

根據(jù)一項(xiàng)試驗(yàn)計(jì)劃，將一個(gè)萬(wàn)向架長(zhǎng)波紅外（LWIR）成像系統(tǒng)原型機(jī)安裝在美國(guó)海軍的MZ-3A飛艇上，在巴爾的摩市（美國(guó)一座港口城市）上空進(jìn)行了高清熱繪圖。使用的萬(wàn)向架步進(jìn)-凝視成像技術(shù)，幅寬為小面陣，像素320×256，間距30μm，量子阱紅外探測(cè)器（QWIP）攝像機(jī)采用一個(gè)50mm鏡頭，效果得到三倍放大。從飛艇平臺(tái)采集的QWIP數(shù)據(jù)形成一個(gè)60厘米地面采樣距離（GSD）的高質(zhì)量LWIR熱成像。萬(wàn)向架系統(tǒng)采集的航空LWIR圖像的地理空間很精確，可以快速交給GIS繪圖應(yīng)用。

1 前言

過(guò)去的十年，已經(jīng)提出、研發(fā)、測(cè)試并報(bào)道了許多輕于空氣（LTA）的現(xiàn)代化浮空氣球和飛艇遙感系統(tǒng)。部署的各種LTA系統(tǒng)，無(wú)論是系留式還是移動(dòng)式、近地的還是高空的，以近靜態(tài)還是動(dòng)態(tài)低速穩(wěn)定飛行的，都有自己獨(dú)特的能力，能為高分辨率成像提供經(jīng)濟(jì)高效的長(zhǎng)航時(shí)任務(wù)。這些能力使LTA平臺(tái)適合各種遙感應(yīng)用，包括近靜止持久區(qū)域覆蓋、環(huán)境監(jiān)測(cè)、科學(xué)考察和ISR（情報(bào)監(jiān)視和偵察）支持。

最近的LTA遙感工作包括新一代“系統(tǒng)之系統(tǒng)”技術(shù)。要把系統(tǒng)集成到LTA平臺(tái)上，還存在一些難題，例如1）要優(yōu)化精心設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，使之適合LTA飛行包線、指定的應(yīng)用要求和特殊有效載荷的尺寸、重量和功率（SWaP）限制；2）要優(yōu)化專用軟件，使之滿足LTA儀器系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)收集、精密配準(zhǔn)、預(yù)處理和分發(fā)要求。這些技術(shù)難題會(huì)影響成本、計(jì)劃，從而影響LTA主系統(tǒng)的整體可行性。

2013年后半年，NGIT、GIA、AGC和NASA的研究人員聯(lián)合開展了一項(xiàng)工作，為美國(guó)海軍的一艘研究飛艇提供一個(gè)實(shí)用高效的LTA成像系統(tǒng)方案，用于城市級(jí)熱遙感應(yīng)用。這項(xiàng)工作的目的是驗(yàn)證1）用萬(wàn)向架飛艇成像方案為城市級(jí)繪圖，同時(shí)提供高分辨率和大面積覆蓋；2）一個(gè)作戰(zhàn)型萬(wàn)向架LWIR成像儀器系統(tǒng)原型。本文報(bào)告這項(xiàng)工作的成果。

2飛艇平臺(tái)和儀器

該工作使用的LTA平臺(tái)是美國(guó)海軍的MZ-3A飛艇，它是一個(gè)有人駕駛的飛艇，長(zhǎng)178英尺，采用兩個(gè)180馬力引擎，最高巡航速度50海里（93千米/小時(shí)），有效載荷2500磅（1100公斤）。MZ-3A飛艇能留空12小時(shí)以上，巡航高度在近地和9500英尺（2900米）之間。

已經(jīng)設(shè)計(jì)了一個(gè)萬(wàn)向架飛艇成像系統(tǒng)（GAIS）原型機(jī)并成功集成在海軍的MZ-3A飛艇上。該樣機(jī)集成了一個(gè)小面陣、320×256像素、30μm間距的LWIR QWIP（量子阱紅外探測(cè)器）攝像機(jī)進(jìn)行熱成像。攝像機(jī)有一個(gè)50mm f/2.0鏡頭，安裝在一個(gè)eGimbalTM萬(wàn)向架上。還集成了一個(gè)29MP光電（EO）攝像機(jī)，同時(shí)進(jìn)行固定的最低點(diǎn)指示彩色成像。用一個(gè)攜帶式小面陣計(jì)算機(jī)運(yùn)行成像傳感器、GPS/INS和萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)控制組件。為進(jìn)行儀器控制、數(shù)據(jù)收集和直接傳感器地理定位研發(fā)了定制軟件。圖1是飛艇平臺(tái)上的萬(wàn)向架和傳感器有效載荷。

還研發(fā)了萬(wàn)向架步進(jìn)-凝視技術(shù)，以獲得多幅地面幅寬的、地理空間準(zhǔn)確的高分辨率LWIR航空?qǐng)D像。尤其是，為MZ-3A飛艇上的50mm透鏡QWIP攝像機(jī)搭配了一個(gè)三步航跡交叉凝視（ATS）功能。3步航跡交叉凝視曝光在步進(jìn)-凝視圖像中能產(chǎn)生10%的重疊，實(shí)現(xiàn)大約30°的總視場(chǎng)。在3000英尺離地高度飛行時(shí)，LWIR成像裝置的地面采樣距離（GSD）為大約60厘米。

光電攝像機(jī)的曝光與QWIP傳感器同步。光電攝像機(jī)用300毫米鏡頭，在3000英尺的離地高度提供2厘米 GSD的灰度圖像。但是，原型萬(wàn)向架的載荷能力僅限于3步ATS LWIR或者5步ATS EO。當(dāng)LWIR系統(tǒng)裝在萬(wàn)向架內(nèi)時(shí)，光電系統(tǒng)只能安裝在GAIS系統(tǒng)后面的最低點(diǎn)處。

圖1 安裝在美國(guó)海軍MZ-3A飛艇上攝像機(jī)吊艙內(nèi)的萬(wàn)向架LWIR攝像機(jī)和固定光電傳感器

圖2a是QWIP的拼接圖。該圖顯示沿著地面航跡拍攝的一組LWIR/EO圖像幀。萬(wàn)向架LWIR 3步ATS圖像技術(shù)將熱像幅寬擴(kuò)展到498米，使它大大寬于固定安裝的光電系統(tǒng)提供的114米寬度。圖2b和2c顯示了光電系統(tǒng)拍攝的2厘米GSD的樣例。注意人的大拇指都能分辨出來(lái)。

圖2 a)沿著一條地面航跡拍攝的一組LWIR/光電圖像；b)放大的圖像；c)進(jìn)一步放大的圖像

3 LWIR巴爾的摩城市繪圖

2013年9月24日到10月2日，在巴爾的摩市上空，用美國(guó)海軍飛艇MZ-3A上的GAIS系統(tǒng)采集了大量數(shù)據(jù)。GAIS提供的熱紅外原始圖像和谷歌地圖兼容的地面覆蓋圖一樣好。用精確的GPS/INS測(cè)量結(jié)果融合這兩組數(shù)據(jù)，使這組航空?qǐng)D像可以快速集成到各種地理信息系統(tǒng)（GIS）中。

GAIS的地面覆蓋圖像用于即時(shí)LWIR顯示，保證所需的數(shù)據(jù)覆蓋。圖3a顯示的寬8.63千米、高4.67千米的面積，由15條飛艇航線和大約7500個(gè)QWIP傳感器圖像幀組成，圖中還顯示了用GAISLWIR快速視圖拼接的分層圖。飛行測(cè)試的平均高度為3000英尺。每次飛行的時(shí)間大約為15分鐘。這15條飛行線的凈繪圖時(shí)間約在4小時(shí)內(nèi)，這表明基于MZ-3A飛艇的GAIS系統(tǒng)能夠以至少50平方千米/天的速度進(jìn)行高效的城市級(jí)繪圖，并且圖像質(zhì)量十分高。

GAISLWIR原始圖像以16比特?cái)?shù)字格式存儲(chǔ)，其中包括嵌入有傳感器溫度測(cè)量數(shù)據(jù)的機(jī)載溫度計(jì)數(shù)據(jù)。LWIR原始圖像還可經(jīng)過(guò)進(jìn)一步處理用于高級(jí)應(yīng)用。圖3b是我們對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行的初步后期處理的例子，該圖是圖3a中藍(lán)框內(nèi)小面積的放大圖，顯示了巴爾的摩城市內(nèi)港區(qū)域的細(xì)節(jié)。通過(guò)估算，99%像素的表面溫度在10到42℃，原始圖像的數(shù)字格式經(jīng)過(guò)重新調(diào)整能適合估算的溫度范圍。在再次調(diào)節(jié)后，拼接了圖3b的圖像，其中包括從東向西飛行的147幀3步ATS原始曝光圖。圖3c是偽彩圖像，采用特殊的顏色指數(shù)以便更容易看清海面上的溫度差異。圖3d是圖3b的偽彩圖像，以便更好地區(qū)分地面目標(biāo)的溫差。圖3b到3d這組處理過(guò)的圖像說(shuō)明了萬(wàn)向架QWIP攝像機(jī)成像系統(tǒng)本身的空間和信號(hào)質(zhì)量；尤其是圖3c表明，QWIP攝像機(jī)有良好的輻射分辨率，可以區(qū)別內(nèi)港水面的溫差。

圖3 在巴爾的摩市中心和內(nèi)港上空拍攝的萬(wàn)向架LWIR熱像繪圖數(shù)據(jù)采樣

4 討論

對(duì)遙感成像儀來(lái)說(shuō)，一個(gè)設(shè)計(jì)合理的響應(yīng)快、地理空間精確的成像萬(wàn)向架是個(gè)性能倍增器，它不僅能擴(kuò)大LTA平臺(tái)上的成像系統(tǒng)的視場(chǎng)（如巴爾的摩飛艇試驗(yàn)表明的），還能為更多應(yīng)用提供運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償和靈活的視角。

飛艇的飛行力學(xué)特別適合萬(wàn)向架應(yīng)用。它的空速較慢、平臺(tái)穩(wěn)定，可使萬(wàn)向成像系統(tǒng)以較少的飛行線實(shí)現(xiàn)更快、更廣的覆蓋面。除此之外，一個(gè)合適的萬(wàn)向架還能進(jìn)一步增強(qiáng)平臺(tái)穩(wěn)定性并消除動(dòng)態(tài)模糊，這一點(diǎn)對(duì)LWIR/EO的高分辨率來(lái)說(shuō)很重要，例如，對(duì)LWIR，GSD在30厘米以下；對(duì)光電，GSD在1厘米以下。

當(dāng)為萬(wàn)向架空中成像/繪圖應(yīng)用選擇成像儀時(shí)，以像素?cái)?shù)為標(biāo)準(zhǔn)的大面陣焦平面陣列（FPA）的最高分辨率也許不是最合適的考慮因素。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，要考慮因素有LWIR探測(cè)器材料的晶片尺寸限制、光學(xué)元件的可獲得性和SWaP限制，還有與感興趣的波長(zhǎng)（如10、15μm或更長(zhǎng)波長(zhǎng)）相關(guān)的像素尺寸衍射限。步進(jìn)凝視可以有效補(bǔ)償某些小型FPA系統(tǒng)的分辨率限制。這一點(diǎn)對(duì)最新代的低SWaP LWIR成像儀而言尤其如此，這種成像儀通常有更快的幀速/數(shù)據(jù)吞吐量、很高的信號(hào)質(zhì)量，以及各式各樣的鏡頭和鏡頭設(shè)計(jì)。這種較小的傳感器對(duì)萬(wàn)向結(jié)構(gòu)更適合、更實(shí)用。

對(duì)LWIR光譜區(qū)域來(lái)說(shuō)，地理空間萬(wàn)向架的能力特別重要。本文作者通過(guò)對(duì)比勞倫斯市的LWIR繪圖（在塞斯納飛機(jī)上采用最低點(diǎn)安裝的是：NASA的QWIP成像儀：像素1024×1024、透鏡f/2.5 100mm，像素間距19.5μm ）和巴爾的摩市的LWIR繪圖（在飛艇上安裝的是：NASA的萬(wàn)向架成像儀：像素320×256、透鏡f/2.0 50mm、像素間距30μm）的60厘米GSD數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，后者的空間成像更加清晰。

5結(jié)論

最近在MZ-3A飛艇上用萬(wàn)向架型LWIR成像系統(tǒng)對(duì)巴爾的摩和馬里蘭州做的城市繪圖，證明了以下結(jié)果：1）利用定制的成像系統(tǒng)（如GAIS樣機(jī)），低速飛機(jī)就能可靠地用做繪圖平臺(tái)；2）為此測(cè)試開發(fā)的萬(wàn)向架-步進(jìn)凝視工作（GSSO）法是一個(gè)實(shí)用高效的手段，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)高分辨率成像和寬視場(chǎng)覆蓋；3）使用GSSO，一個(gè)小面陣、快幀率LWIR QWIP成像儀經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可用于城市級(jí)高分辨率熱像繪圖。