導(dǎo)讀

根據(jù)一項試驗計劃，將一個萬向架長波紅外（LWIR）成像系統(tǒng)原型機安裝在美國海軍的MZ-3A飛艇上，在巴爾的摩市（美國一座港口城市）上空進行了高清熱繪圖。使用的萬向架步進-凝視成像技術(shù)，幅寬為小面陣，像素320×256，間距30μm，量子阱紅外探測器（QWIP）攝像機采用一個50mm鏡頭，效果得到三倍放大。從飛艇平臺采集的QWIP數(shù)據(jù)形成一個60厘米地面采樣距離（GSD）的高質(zhì)量LWIR熱成像。萬向架系統(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

過去的十年，已經(jīng)提出、研發(fā)、測試并報道了許多輕于空氣（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)，無論是系留式還是移動式、近地的還是高空的，以近靜態(tài)還是動態(tài)低速穩(wěn)定飛行的，都有自己獨特的能力，能為高分辨率成像提供經(jīng)濟高效的長航時任務(wù)。這些能力使LTA平臺適合各種遙感應(yīng)用，包括近靜止持久區(qū)域覆蓋、環(huán)境監(jiān)測、科學(xué)考察和ISR（情報監(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平臺上，還存在一些難題，例如1）要優(yōu)化精心設(shè)計的系統(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)難題會影響成本、計劃，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)合開展了一項工作，為美國海軍的一艘研究飛艇提供一個實用高效的LTA成像系統(tǒng)方案，用于城市級熱遙感應(yīng)用。這項工作的目的是驗證1）用萬向架飛艇成像方案為城市級繪圖，同時提供高分辨率和大面積覆蓋；2）一個作戰(zhàn)型萬向架LWIR成像儀器系統(tǒng)原型。本文報告這項工作的成果。

2飛艇平臺和儀器

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

已經(jīng)設(shè)計了一個萬向架飛艇成像系統(tǒng)（GAIS）原型機并成功集成在海軍的MZ-3A飛艇上。該樣機集成了一個小面陣、320×256像素、30μm間距的LWIR QWIP（量子阱紅外探測器）攝像機進行熱成像。攝像機有一個50mm f/2.0鏡頭，安裝在一個eGimbalTM萬向架上。還集成了一個29MP光電（EO）攝像機，同時進行固定的最低點指示彩色成像。用一個攜帶式小面陣計算機運行成像傳感器、GPS/INS和萬向運動控制組件。為進行儀器控制、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是飛艇平臺上的萬向架和傳感器有效載荷。

還研發(fā)了萬向架步進-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航空圖像。尤其是，為MZ-3A飛艇上的50mm透鏡QWIP攝像機搭配了一個三步航跡交叉凝視（ATS）功能。3步航跡交叉凝視曝光在步進-凝視圖像中能產(chǎn)生10%的重疊，實現(xiàn)大約30°的總視場。在3000英尺離地高度飛行時，LWIR成像裝置的地面采樣距離（GSD）為大約60厘米。

光電攝像機的曝光與QWIP傳感器同步。光電攝像機用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)裝在萬向架內(nèi)時，光電系統(tǒng)只能安裝在GAIS系統(tǒng)后面的最低點處。

圖1 安裝在美國海軍MZ-3A飛艇上攝像機吊艙內(nèi)的萬向架LWIR攝像機和固定光電傳感器

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。萬向架LWIR 3步ATS圖像技術(shù)將熱像幅寬擴展到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。

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測量結(jié)果融合這兩組數(shù)據(jù)，使這組航空圖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。飛行測試的平均高度為3000英尺。每次飛行的時間大約為15分鐘。這15條飛行線的凈繪圖時間約在4小時內(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/天的速度進行高效的城市級繪圖，并且圖像質(zhì)量十分高。

GAISLWIR原始圖像以16比特數(shù)字格式存儲，其中包括嵌入有傳感器溫度測量數(shù)據(jù)的機載溫度計數(shù)據(jù)。LWIR原始圖像還可經(jīng)過進一步處理用于高級應(yīng)用。圖3b是我們對原始數(shù)據(jù)進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這組處理過的圖像說明了萬向架QWIP攝像機成像系統(tǒng)本身的空間和信號質(zhì)量；尤其是圖3c表明，QWIP攝像機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)港上空拍攝的萬向架LWIR熱像繪圖數(shù)據(jù)采樣

4 討論

對遙感成像儀來說，一個設(shè)計合理的響應(yīng)快、地理空間精確的成像萬向架是個性能倍增器，它不僅能擴大LTA平臺上的成像系統(tǒng)的視場（如巴爾的摩飛艇試驗表明的），還能為更多應(yīng)用提供運動補償和靈活的視角。

飛艇的飛行力學(xué)特別適合萬向架應(yīng)用。它的空速較慢、平臺穩(wěn)定，可使萬向成像系統(tǒng)以較少的飛行線實現(xiàn)更快、更廣的覆蓋面。除此之外，一個合適的萬向架還能進一步增強平臺穩(wěn)定性并消除動態(tài)模糊，這一點對LWIR/EO的高分辨率來說很重要，例如，對LWIR，GSD在30厘米以下；對光電，GSD在1厘米以下。

當(dāng)為萬向架空中成像/繪圖應(yīng)用選擇成像儀時，以像素數(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。簡單來說，要考慮因素有LWIR探測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（如10、15μm或更長波長）相關(guān)的像素尺寸衍射限。步進凝視可以有效補償某些小型FPA系統(tǒng)的分辨率限制。這一點對最新代的低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、很高的信號質(zhì)量，以及各式各樣的鏡頭和鏡頭設(shè)計。這種較小的傳感器對萬向結(jié)構(gòu)更適合、更實用。

對LWIR光譜區(qū)域來說，地理空間萬向架的能力特別重要。本文作者通過對比勞倫斯市的LWIR繪圖（在塞斯納飛機上采用最低點安裝的是：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飛艇上用萬向架型LWIR成像系統(tǒng)對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），低速飛機就能可靠地用做繪圖平臺；2）為此測試開發(fā)的萬向架-步進凝視工作（GSSO）法是一個實用高效的手段，可同時實現(xiàn)高分辨率成像和寬視場覆蓋；3）使用GSSO，一個小面陣、快幀率LWIR QWIP成像儀經(jīng)過優(yōu)化，可用于城市級高分辨率熱像繪圖。