Onderzoekers van het Amerikaanse legeronderzoekslaboratorium hebben een nieuw type warmtebeeldcamera ontwikkeld waarmee soldaten verborgen voorwerpen kunnen zien die voorheen niet detecteerbaar waren.

Dr. Kristan Gurton, een experimenteel fysicus in het Directoraat Computational and Information Sciences, en Dr. Sean Hu, een elektronica-ingenieur in het Directoraat Sensoren en Elektronenapparaten, leiden deze inspanning voor het laboratorium.

Volgens Gurton, alle objecten met een temperatuur die niet nul is, zenden warmtestraling uit in het infrarode deel van het spectrum, en de intensiteit van die straling is evenredig met de temperatuur.

Warmtestraling is altijd aanwezig in de omgeving, of het nu dag of nacht is, daarom gebruikt het leger thermische camera's om objecten te zien die vaak in het donker verborgen zijn.

Echter, naast de intensiteit van de infraroodstraling, er is nog een ander kenmerk van licht dat bij beeldvorming vaak wordt genegeerd:de polarisatietoestand.

"Onderzoekers weten al ongeveer 30 jaar dat door de mens gemaakte objecten thermische straling uitzenden die gedeeltelijk gepolariseerd is, bijvoorbeeld, vrachtwagens, vliegtuigen, gebouwen, voertuigen, enzovoort., en dat natuurlijke objecten zoals gras, bodem, bomen en struiken hebben de neiging warmtestraling uit te zenden die zeer weinig polarisatie vertoont, " zei Gurton. "We hebben ontwikkeld, met de hulp van de particuliere sector, een speciaal type thermische camera die beelden kan opnemen die uitsluitend gebaseerd zijn op de polarisatietoestand van het licht in plaats van op de intensiteit. Deze aanvullende polarimetrische informatie stelt soldaten in staat om verborgen objecten te zien die voorheen niet zichtbaar waren bij het gebruik van conventionele thermische camera's."

Gurton zet de ontwikkeling van de camerahardware voort, terwijl Hu werkt aan software die is ontworpen om optimaal gebruik te maken van de aanvullende informatie die thermische polarimetrische beeldvorming biedt.

Volgens Gurton, terwijl het leger altijd een robuust conventioneel warmtebeeldprogramma heeft gehad, zijn inspanningen zijn een natuurlijke vooruitgang om de technologie verder te ontwikkelen.

"Soldaatspecifieke toepassingen die we hebben onderzocht, zijn onder meer de detectie van verborgen struikeldraad en boobytraps, verbeterd vermogen om gecamoufleerde doelen te zien, identificatie van begraven landmijnen en geïmproviseerde explosieven, en verbeterde targeting en tracking van raketten, mortieren, onbemande luchtvaartuigen en andere dreigingen vanuit de lucht, ' zei Gurton.

De meest recente en opwindende ontdekking van het team omvat de mogelijkheid om specifieke menselijke onderwerpen te detecteren en te identificeren tijdens volledige duisternis.

"Voorafgaand aan ons onderzoek bij ARL, de enige manier om mensen 's nachts te bekijken was door conventionele warmtebeeldcamera's te gebruiken, "zei Gurton. "Helaas, dergelijke beelden worden geplaagd door een "ghosting"-effect waarbij gedetailleerde gelaatstrekken die nodig zijn voor menselijke identificatie verloren gaan. Echter, wanneer polarisatie-informatie is opgenomen in het warmtebeeld, d.w.z., een thermisch polarimetrisch beeld, fijne gezichtsdetails komen naar voren, waarmee gezichtsherkenningsalgoritmen kunnen worden toegepast."

Vanwege de technische moeilijkheid bij het bouwen van thermische polarimetrische camerasystemen, Er was zeer weinig onderzoek gedaan voorafgaand aan de betrokkenheid van Gurton en Hu bij het bestuderen van dit nieuwe fenomeen vanaf 2005.

"Ons primaire doel was om een ​​nieuw type camerasysteem te ontwikkelen dat objecten kon detecteren die moeilijk waren, of onmogelijk, om te zien met behulp van de huidige ultramoderne thermische camera's, ' zei Gurton.

"We werken samen met de particuliere sector aan een tweeledige aanpak waarin zowel polarimetrische camera's van onderzoekskwaliteit als robuuste commerciële kwaliteit polarimetrische camera's worden ontwikkeld, " zei Gurton. "Het is onze hoop dat in de toekomst, alle ingezette warmtebeeldsystemen van het Ministerie van Defensie hebben een polarimetrisch vermogen dat met een simpele druk op de knop kan worden geïmplementeerd."

De belangrijkste partner uit de particuliere sector van de onderzoekers die zich bezighoudt met polarimetrische beeldvorming is Polaris Sensor Technologies, Inc., in Huntsville, Alabama.

De relatie tussen ARL en Polaris is geformaliseerd via het Small Business Innovation Research-programma van het leger.

"Het doel van de relatie met Polaris is om alle technische problemen op te lossen die eerdere pogingen tot een nieuwe warmtebeeldcamera plaagden, en we zijn succesvol sinds de implementatie van deze nieuwe technologie, ' zei Gurton.

"Kort nadat ik in 1998 bij ARL werd aangenomen als experimenteel fysicus, Ik heb een stel oude vintage thermische camera's uit de jaren 80 geërfd van een gepensioneerde wetenschapper, " zei Gurton. "Ik raakte geïnteresseerd in het bestuderen van thermische straling en ik wilde iets doen dat nieuw en nieuw was, en dat was niet uitputtend onderzocht. Ik vond verschillende oude technische documenten uit de jaren tachtig waarin mislukte pogingen werden beschreven om thermische polarimetrische beeldvorming te implementeren."

Toen Gurton sprak met de verschillende ingenieurs in zowel de particuliere sector als DOD die betrokken waren bij de eerdere inspanningen, ze verklaarden de problemen die beperkte eerdere pogingen waren te wijten aan een te complex ontwerp, wat leidde tot aanzienlijke fouten bij het registreren van pixels, waardoor de systemen onbruikbaar werden.

"We hebben die lessen geleerd en ik heb mijn eerste Small Business Innovation Research-contract uitgegeven met Dr. David Chenault van SY Technologies, nu president bij Polaris Sensor Technologies, ' zei Gurton.

De belangrijkste problemen met eerdere inspanningen waren tweeledig. Eerst, vroege inspanningen waren veel te complex, ze zei.

"Vroegtijdig, onderzoekers probeerden micro-polarisatoren te plaatsen op individuele micron-formaat pixels van de infrarood focal-plane-array, of FPA, "Zei Gurton. "Zowel de FPA's als de micropixel-polarisatorentechnologie in de jaren '80 en '90 waren vrij eenvoudig. Tijdens mijn eerste contract, Ik benadrukte een KISS-aanpak, bijvoorbeeld, hou het simpel dom, en ik stond erop dat concurrerende bedrijven de zogenaamde micropixelbenadering vermijden en zeer eenvoudige concepten voorstellen om een ​​gekalibreerd thermisch polarimetrisch camerasysteem van onderzoekskwaliteit te produceren dat echt zou werken. Voor dit nieuwe ontwerp we kozen voor een eenvoudige benadering met roterende elementen, wat vandaag de dag nog steeds de gouden standaard is."

Het tweede probleem betrof de verkeerde registratie van afbeeldingen die eerdere systemen plaagden, ze zei.

"In het algemeen, een polarimetrisch beeld is eigenlijk een aftrekking van twee perfect geregistreerde beelden, "Zei Gurton. "Als de twee afbeeldingen een beetje verkeerd zijn geregistreerd, het zal niet werken. We hebben als doel gesteld dat er minimaal 1/10 van een pixel moet worden geregistreerd. Momenteel, Polaris-sensortechnologieën, Inc., ontwikkelen routinematig systemen die minder dan 1/20 pixel mis-registratie hebben."

Gurton zei dat ze gelooft dat de toekomst voor commercialisering zal bestaan ​​uit het implementeren van de eerdere micropixel FPA-aanpak die zo moeilijk bleek, en is nog steeds zeer technisch uitdagend.

Ondanks de moeilijkheden, Polaris heeft met succes een op micropixels gebaseerde camera geproduceerd met behulp van ongekoelde microbolometers en demonstreert deze in veldtests van het leger en op drones.

Wat betreft de volgende stappen om deze technologie tot wasdom te brengen, Gurton en de andere onderzoekers werken actief aan het miniaturiseren van het cameraplatform en het betaalbaarder maken van de systemen.