Гиперспектральная усиленная разведка с воздуха в режиме реального времени - Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance
Гиперспектральная расширенная разведка с воздушным движением в реальном времени , также известная под аббревиатурой ARCHER , представляет собой систему аэрофотосъемки, которая производит наземные изображения намного более детализированные, чем это могут сделать обычные фотографии или обычные аэрофотосъемки . По словам представителей правительства США, это самая сложная из доступных неклассифицированных систем гиперспектральной съемки . ARCHER может автоматически сканировать подробные изображения для данной сигнатуры разыскиваемого объекта (например, пропавшего самолета), аномалий в окружающей местности или изменений по сравнению с ранее записанными спектральными сигнатурами.
Он имеет прямое применение для поиска и спасения , Counterdrug , ликвидации последствий стихийных бедствий и оценки последствий и национальной безопасности , и был развернут по Гражданскому воздушному патрулю (CAP) в США на австралийских построен Джипсленд GA8 Airvan самолетов . CAP, то гражданские вспомогательное в ВВС США , является добровольцем образование и общественно-услуги некоммерческой организацией, поиск дирижирует воздушные суда и спасательные работы в США.
Обзор
ARCHER - это дневная неинвазивная технология, которая работает, анализируя отраженный от объекта свет. Он не может обнаруживать объекты ночью, под водой, под плотным укрытием, под землей, под снегом или внутри зданий. В системе используется специальная камера, направленная вниз через портал из кварцевого стекла в брюхе самолета, который обычно летает на стандартной высоте полета 2500 футов (800 метров) и скорости относительно земли 100 узлов (50 метров в секунду).
Системное программное обеспечение было разработано Space Computer Corporation из Лос-Анджелеса, а системное оборудование было поставлено NovaSol Corp. из Гонолулу, Гавайи специально для CAP. Система ARCHER основана на исследованиях и испытаниях гиперспектральных технологий, которые ранее проводились Лабораторией военно-морских исследований США (NRL) и Исследовательской лабораторией ВВС (AFRL). CAP разработала ARCHER в сотрудничестве с NRL, AFRL и Центром исследований и разработок береговой охраны США в рамках крупнейшего межведомственного проекта, осуществленного CAP за свою 74-летнюю историю.
С 2003 года на разработку и развертывание было потрачено почти 5 миллионов долларов США, разрешенных в соответствии с Законом об оборонных ассигнованиях 2002 года . По состоянию на январь 2007 года CAP сообщила о завершении первоначального развертывания 16 самолетов по всей территории США и обучении более 100 операторов, но использовала систему только в нескольких поисково-спасательных операциях и не считала ее первой, кто обнаружил какие-либо обломки. . В ходе поисков в Джорджии и Мэриленде в 2007 году компания ARCHER обнаружила обломки самолета, но, по словам полковника Дрю Алекса, директора по передовым технологиям и менеджера программы ARCHER в CAP, никто не выжил. Самолет, оборудованный ARCHER из крыла гражданского воздушного патруля штата Юта, был использован в поисках искателя приключений Стива Фоссета в сентябре 2007 года. ARCHER не обнаружил мистера Фоссета, но сыграл важную роль в обнаружении восьми ранее не отмеченных на карте мест крушения в высокогорной пустынной местности. Невада , которой несколько десятилетий.
Полковник Алекса описал систему для прессы в 2007 году: «Человеческий глаз видит в основном три полосы света. Датчик ARCHER видит 50. Он может видеть аномальные предметы в растительности, такие как металл или что-то из обломков самолета». Майор Синтия Райан из Гражданского воздушного патруля штата Невада , также описывая систему для прессы в 2007 году, заявила: «ARCHER - это, по сути, то, что используется геонауками. Это довольно сложная штука… за пределами того, что может видеть человеческий глаз», - пояснила она. далее: «Он может видеть валуны, он может видеть деревья, он может видеть горы, полынь, что угодно, но он говорит« не то »или« да, это ». Удивительная часть этого состоит в том, что он может видеть всего 10 процентов от цели и экстраполировать оттуда ».
Помимо основной поисково-спасательной миссии, CAP проверила дополнительные возможности использования ARCHER. Например, система CAP GA8, оснащенная ARCHER, использовалась в пилотном проекте в штате Миссури в августе 2005 г. для оценки пригодности системы для отслеживания выбросов опасных материалов в окружающую среду, а еще одна была развернута для отслеживания разливов нефти после урагана «Рита» в США. Техас в сентябре 2005 года.
С тех пор, в случае полета из Миссури, система ARCHER доказала свою полезность в октябре 2006 года, когда она обнаружила обломки в Антлерсе, штат Окла. Национальный совет по транспорту и безопасности был чрезвычайно доволен предоставленными ARCHER данными, которые были позже использовался для обнаружения обломков самолетов, разбросанных по неровной лесистой местности. В июле 2007 года система ARCHER выявила разлив нефти, возникший в результате наводнения на нефтеперерабатывающем заводе в Канзасе, который распространился вниз по течению и вторгся в ранее неожиданные области резервуаров. Агентства-клиенты (EPA, береговая охрана и другие федеральные агентства и агентства штата) обнаружили, что данные необходимы для быстрого исправления ситуации. В сентябре 2008 года гражданский воздушный патруль GA-8 из Техасского крыла искал пропавший самолет из Арканзаса. Он был обнаружен в Оклахоме и идентифицирован одновременно наземными поисковиками и системой ARCHER. Это была не прямая находка, а подтверждение точности и эффективности системы. При последующем обнаружении было обнаружено, что ARCHER построил область обломков с большой точностью.
Техническое описание
Основные компоненты подсистемы ARCHER включают:
- усовершенствованная система гиперспектральной визуализации (HSI) с разрешением один квадратный метр на пиксель.
- панхроматическая камера с высоким разрешением (HRI) с разрешением 8 см x 8 см (3 дюйма x 3 дюйма) на пиксель.
- система глобального позиционирования (GPS), интегрированная с инерциальной навигационной системой (INS)
Гиперспектральный формирователь изображений
Пассивная Гиперспектрального изображающей спектроскопии дистанционный датчик наблюдает цель в мульти- спектральных диапазонах. Камера HSI разделяет спектры изображения на 52 «ячейки» от длины волны 500 нанометров (нм) в синем конце видимого спектра до 1100 нм в инфракрасном , что дает камере спектральное разрешение 11,5 нм. Хотя ARCHER записывает данные во всех 52 полосах, вычислительные алгоритмы используют только первые 40 полос, от 500 до 960 нм, потому что полосы выше 960 нм слишком шумны, чтобы быть полезными. Для сравнения: нормальный человеческий глаз реагирует на волны с длиной волны примерно от 400 до 700 нм и является трехцветным , то есть клетки конуса глаза воспринимают свет только в трех спектральных диапазонах.
Когда самолет ARCHER пролетает над зоной поиска, отраженный солнечный свет улавливается линзой камеры HSI. Собранный свет проходит через набор линз, которые фокусируют свет и формируют изображение земли. Система визуализации использует подход к получению изображений с помощью выталкивателя. При использовании метода «нажимной щели» фокусирующая щель уменьшает высоту изображения до эквивалента одного вертикального пикселя, создавая изображение с горизонтальными линиями.
Затем изображение с горизонтальной линией проецируется на дифракционную решетку, которая представляет собой очень тонко вытравленную отражающую поверхность, которая рассеивает свет по своим спектрам. Дифракционная решетка специально сконструирована и размещена для создания двумерного (2D) изображения спектра из горизонтального линейного изображения. Спектры проецируются вертикально, т. Е. Перпендикулярно линейному изображению, благодаря конструкции и расположению дифракционной решетки.
Двухмерное изображение спектра проецируется на датчик двумерного изображения устройства с зарядовой связью (ПЗС), который выровнен так, что горизонтальные пиксели параллельны горизонтали изображения. В результате вертикальные пиксели совпадают со спектрами, создаваемыми дифракционной решеткой. Каждый столбец пикселей получает спектр одного горизонтального пикселя исходного изображения. Расположение вертикальных пиксельных датчиков в ПЗС-матрице делит спектр на отдельные и неперекрывающиеся интервалы. Выходной сигнал CCD состоит из электрических сигналов для 52 спектральных полос для каждого из 504 пикселей изображения по горизонтали.
Бортовой компьютер записывает выходной сигнал ПЗС с частотой 60 кадров в секунду. На высоте самолета 2500 футов над уровнем земли и скорости 100 узлов частота кадров 60 Гц соответствует разрешению наземного изображения примерно в один квадратный метр на пиксель. Таким образом, каждый кадр, захваченный с ПЗС-матрицы, содержит спектральные данные для полосы обзора земли, которая составляет приблизительно один метр в длину и 500 метров в ширину.
Тепловизор высокого разрешения
Черно-белая или панхроматическая камера с высоким разрешением (HRI) устанавливается рядом с камерой HSI, чтобы обе камеры могли улавливать один и тот же отраженный свет. В камере HRI используется метод «нажимной щетки», как и в камере HSI с аналогичным объективом и расположением щелей, чтобы ограничить входящий свет тонким и широким лучом. Однако камера HRI не имеет дифракционной решетки для рассеивания падающего отраженного света. Вместо этого свет направляется на более широкую ПЗС-матрицу для захвата большего количества данных изображения. Поскольку он захватывает одну линию изображения земли за кадр, она называется камерой с линейной разверткой. ПЗС-матрица HRI имеет ширину 6 144 пикселя и высоту 1 пиксель. Он работает с частотой кадров 720 Гц. При скорости поиска ARCHER и высоте (100 узлов над землей на высоте 2500 футов над уровнем моря) каждый пиксель на черно-белом изображении представляет собой участок земли размером 3 на 3 дюйма. Это высокое разрешение добавляет возможность идентифицировать некоторые объекты.
Обработка
Монитор в кабине отображает подробные изображения в реальном времени, и система также регистрирует изображение и данные глобальной системы позиционирования со скоростью 30 гигабайт (ГБ) в час для последующего анализа. Бортовая система обработки данных выполняет множество функций обработки в реальном времени, включая сбор и запись данных, коррекцию необработанных данных, обнаружение целей, метки и чипы, точную географическую регистрацию изображений , а также отображение и распространение продуктов изображения и информации о метках цели.
В ARCHER есть три метода обнаружения целей:
- согласование сигнатур, при котором отраженный свет согласовывается со спектральными сигнатурами
- обнаружение аномалий с использованием статистической модели пикселей в изображении для определения вероятности того, что пиксель не соответствует профилю, и
- обнаружение изменений, которое выполняет попиксельное сравнение текущего изображения с условиями земли, которые были получены в предыдущей миссии в той же области.
При обнаружении изменений идентифицируются изменения сцены, а новые, перемещенные или удаленные цели выделяются для оценки. При согласовании спектральной сигнатуры система может быть запрограммирована параметрами пропавшего самолета, такими как цвета окраски, для предупреждения операторов о возможных обломках. Его также можно использовать для поиска определенных материалов, таких как нефтепродукты или другие химические вещества, попадающие в окружающую среду, или даже обычных предметов, таких как общедоступные синие полиэтиленовые брезенты . При оценке воздействия информация о местоположении синих брезентов, используемых для временного ремонта зданий, поврежденных ураганом, может помочь направить усилия по оказанию помощи при стихийных бедствиях; в роли борьбы с наркотиками синий брезент, расположенный в отдаленном районе, может быть связан с незаконной деятельностью.