在飞艇上进行城市级热红外高清绘图
导读
根据一项试验计划，将一个万向架长波红外（lwir）成像系统原型机安装在美国海军的mz-3a飞艇上，在巴尔的摩市（美国一座港口城市）上空进行了高清热绘图。使用的万向架步进-凝视成像技术，幅宽为小面阵，像素320×256，间距30μm，量子阱红外探测器（qwip）摄像机采用一个50mm镜头，效果得到三倍放大。从飞艇平台采集的qwip数据形成一个60厘米地面采样距离（gsd）的高质量lwir热成像。万向架系统采集的航空lwir图像的地理空间很精确，可以快速交给gis绘图应用。
1 前言
过去的十年，已经提出、研发、测试并报道了许多轻于空气（lta）的现代化浮空气球和飞艇遥感系统。部署的各种lta系统，无论是系留式还是移动式、近地的还是高空的，以近静态还是动态低速稳定飞行的，都有自己独特的能力，能为高分辨率成像提供经济高效的长航时任务。这些能力使lta平台适合各种遥感应用，包括近静止持久区域覆盖、环境监测、科学考察和isr（情报监视和侦察）支持。
最近的lta遥感工作包括新一代“系统之系统”技术。要把系统集成到lta平台上，还存在一些难题，例如1）要优化精心设计的系统，使之适合lta飞行包线、指定的应用要求和特殊有效载荷的尺寸、重量和功率（swap）限制；2）要优化专用软件，使之满足lta仪器系统控制、数据收集、精密配准、预处理和分发要求。这些技术难题会影响成本、计划，从而影响lta主系统的整体可行性。
2013年后半年，ngit、gia、agc和nasa的研究人员联合开展了一项工作，为美国海军的一艘研究飞艇提供一个实用高效的lta成像系统方案，用于城市级热遥感应用。这项工作的目的是验证1）用万向架飞艇成像方案为城市级绘图，同时提供高分辨率和大面积覆盖；2）一个作战型万向架lwir成像仪器系统原型。本文报告这项工作的成果。
2飞艇平台和仪器
该工作使用的lta平台是美国海军的mz-3a飞艇，它是一个有人驾驶的飞艇，长178英尺，采用两个180马力引擎，最高巡航速度50海里（93千米/小时），有效载荷2500磅（1100公斤）。mz-3a飞艇能留空12小时以上，巡航高度在近地和9500英尺（2900米）之间。
已经设计了一个万向架飞艇成像系统（gais）原型机并成功集成在海军的mz-3a飞艇上。该样机集成了一个小面阵、320×256像素、30μm间距的lwir qwip（量子阱红外探测器）摄像机进行热成像。摄像机有一个50mm f/2.0镜头，安装在一个egimbaltm万向架上。还集成了一个29mp光电（eo）摄像机，同时进行固定的最低点指示彩色成像。用一个携带式小面阵计算机运行成像传感器、gps/ins和万向运动控制组件。为进行仪器控制、数据收集和直接传感器地理定位研发了定制软件。图1是飞艇平台上的万向架和传感器有效载荷。
还研发了万向架步进-凝视技术，以获得多幅地面幅宽的、地理空间准确的高分辨率lwir航空图像。尤其是，为mz-3a飞艇上的50mm透镜qwip摄像机搭配了一个三步航迹交叉凝视（ats）功能。3步航迹交叉凝视曝光在步进-凝视图像中能产生10%的重叠，实现大约30°的总视场。在3000英尺离地高度飞行时，lwir成像装置的地面采样距离（gsd）为大约60厘米。
光电摄像机的曝光与qwip传感器同步。光电摄像机用300毫米镜头，在3000英尺的离地高度提供2厘米 gsd的灰度图像。但是，原型万向架的载荷能力仅限于3步ats lwir或者5步ats eo。当lwir系统装在万向架内时，光电系统只能安装在gais系统后面的最低点处。
图1 安装在美国海军mz-3a飞艇上摄像机吊舱内的万向架lwir摄像机和固定光电传感器
图2a是qwip的拼接图。该图显示沿着地面航迹拍摄的一组lwir/eo图像帧。万向架lwir 3步ats图像技术将热像幅宽扩展到498米，使它大大宽于固定安装的光电系统提供的114米宽度。图2b和2c显示了光电系统拍摄的2厘米gsd的样例。注意人的大拇指都能分辨出来。
图2 a)沿着一条地面航迹拍摄的一组lwir/光电图像；b)放大的图像；c)进一步放大的图像
3 lwir巴尔的摩城市绘图
2013年9月24日到10月2日，在巴尔的摩市上空，用美国海军飞艇mz-3a上的gais系统采集了大量数据。gais提供的热红外原始图像和谷歌地图兼容的地面覆盖图一样好。用精确的gps/ins测量结果融合这两组数据，使这组航空图像可以快速集成到各种地理信息系统（gis）中。
gais的地面覆盖图像用于即时lwir显示，保证所需的数据覆盖。图3a显示的宽8.63千米、高4.67千米的面积，由15条飞艇航线和大约7500个qwip传感器图像帧组成，图中还显示了用gaislwir快速视图拼接的分层图。飞行测试的平均高度为3000英尺。每次飞行的时间大约为15分钟。这15条飞行线的净绘图时间约在4小时内，这表明基于mz-3a飞艇的gais系统能够以至少50平方千米/天的速度进行高效的城市级绘图，并且图像质量十分高。
gaislwir原始图像以16比特数字格式存储，其中包括嵌入有传感器温度测量数据的机载温度计数据。lwir原始图像还可经过进一步处理用于高级应用。图3b是我们对原始数据进行的初步后期处理的例子，该图是图3a中蓝框内小面积的放大图，显示了巴尔的摩城市内港区域的细节。通过估算，99%像素的表面温度在10到42℃，原始图像的数字格式经过重新调整能适合估算的温度范围。在再次调节后，拼接了图3b的图像，其中包括从东向西飞行的147帧3步ats原始曝光图。图3c是伪彩图像，采用特殊的颜色指数以便更容易看清海面上的温度差异。图3d是图3b的伪彩图像，以便更好地区分地面目标的温差。图3b到3d这组处理过的图像说明了万向架qwip摄像机成像系统本身的空间和信号质量；尤其是图3c表明，qwip摄像机有良好的辐射分辨率，可以区别内港水面的温差。
图3 在巴尔的摩市中心和内港上空拍摄的万向架lwir热像绘图数据采样
4 讨论
对遥感成像仪来说，一个设计合理的响应快、地理空间精确的成像万向架是个性能倍增器，它不仅能扩大lta平台上的成像系统的视场（如巴尔的摩飞艇试验表明的），还能为更多应用提供运动补偿和灵活的视角。
飞艇的飞行力学特别适合万向架应用。它的空速较慢、平台稳定，可使万向成像系统以较少的飞行线实现更快、更广的覆盖面。除此之外，一个合适的万向架还能进一步增强平台稳定性并消除动态模糊，这一点对lwir/eo的高分辨率来说很重要，例如，对lwir，gsd在30厘米以下；对光电，gsd在1厘米以下。
当为万向架空中成像/绘图应用选择成像仪时，以像素数为标准的大面阵焦平面阵列（fpa）的最高分辨率也许不是最合适的考虑因素。简单来说，要考虑因素有lwir探测器材料的晶片尺寸限制、光学元件的可获得性和swap限制，还有与感兴趣的波长（如10、15μm或更长波长）相关的像素尺寸衍射限。步进凝视可以有效补偿某些小型fpa系统的分辨率限制。这一点对最新代的低swap lwir成像仪而言尤其如此，这种成像仪通常有更快的帧速/数据吞吐量、很高的信号质量，以及各式各样的镜头和镜头设计。这种较小的传感器对万向结构更适合、更实用。
对lwir光谱区域来说，地理空间万向架的能力特别重要。本文作者通过对比劳伦斯市的lwir绘图（在塞斯纳飞机上采用最低点安装的是：nasa的qwip成像仪：像素1024×1024、透镜f/2.5 100mm，像素间距19.5μm ）和巴尔的摩市的lwir绘图（在飞艇上安装的是：nasa的万向架成像仪：像素320×256、透镜f/2.0 50mm、像素间距30μm）的60厘米gsd数据结果发现，后者的空间成像更加清晰。
5结论
最近在mz-3a飞艇上用万向架型lwir成像系统对巴尔的摩和马里兰州做的城市绘图，证明了以下结果：1）利用定制的成像系统（如gais样机），低速飞机就能可靠地用做绘图平台；2）为此测试开发的万向架-步进凝视工作（gsso）法是一个实用高效的手段，可同时实现高分辨率成像和宽视场覆盖；3）使用gsso，一个小面阵、快帧率lwir qwip成像仪经过优化，可用于城市级高分辨率热像绘图。
工程师使用运动捕捉组件和其他技术的印刷电路板来研究机器人的思维
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海外疫情全面爆发 全球智能手机出货量持续下滑
RFMD以16亿美元收购TriQuint
在飞艇上进行城市级热红外高清绘图
台积电翻新晶圆制程技术，新世代处理器指日可待
彻底摆脱智能手表续航差的魔咒
4G网络变得很慢了？
室内空气污染愈演愈烈，新风系统如何实现呼吸自由
航盛电子与中兴通讯达成战略合作 2021年博世销售额实现超预期增长
中低端机先试水 三星指纹传感器即将面世
微软Windows 10研究新的方法管理现代磁盘分区
超高速10位CMOS D/A转换器AD9751的原理、特点及应用设计
运算放大器(OP-AMP)振荡器电路图解析
智慧粮库升级粮门异动监测装置的特点
什么是NDI 5技术，它的应用优势都有哪些
Holtek推出感烟与CO/燃气探测专用Flash MCU
物体检测与跟踪算法
重点讨论如何优化Docker镜像以使其轻量化
根据一项试验计划，将一个万向架长波红外（lwir）成像系统原型机安装在美国海军的mz-3a飞艇上，在巴尔的摩市（美国一座港口城市）上空进行了高清热绘图。使用的万向架步进-凝视成像技术，幅宽为小面阵，像素320×256，间距30μm，量子阱红外探测器（qwip）摄像机采用一个50mm镜头，效果得到三倍放大。从飞艇平台采集的qwip数据形成一个60厘米地面采样距离（gsd）的高质量lwir热成像。万向架系统采集的航空lwir图像的地理空间很精确，可以快速交给gis绘图应用。
1 前言
过去的十年，已经提出、研发、测试并报道了许多轻于空气（lta）的现代化浮空气球和飞艇遥感系统。部署的各种lta系统，无论是系留式还是移动式、近地的还是高空的，以近静态还是动态低速稳定飞行的，都有自己独特的能力，能为高分辨率成像提供经济高效的长航时任务。这些能力使lta平台适合各种遥感应用，包括近静止持久区域覆盖、环境监测、科学考察和isr（情报监视和侦察）支持。
最近的lta遥感工作包括新一代“系统之系统”技术。要把系统集成到lta平台上，还存在一些难题，例如1）要优化精心设计的系统，使之适合lta飞行包线、指定的应用要求和特殊有效载荷的尺寸、重量和功率（swap）限制；2）要优化专用软件，使之满足lta仪器系统控制、数据收集、精密配准、预处理和分发要求。这些技术难题会影响成本、计划，从而影响lta主系统的整体可行性。
2013年后半年，ngit、gia、agc和nasa的研究人员联合开展了一项工作，为美国海军的一艘研究飞艇提供一个实用高效的lta成像系统方案，用于城市级热遥感应用。这项工作的目的是验证1）用万向架飞艇成像方案为城市级绘图，同时提供高分辨率和大面积覆盖；2）一个作战型万向架lwir成像仪器系统原型。本文报告这项工作的成果。
2飞艇平台和仪器
该工作使用的lta平台是美国海军的mz-3a飞艇，它是一个有人驾驶的飞艇，长178英尺，采用两个180马力引擎，最高巡航速度50海里（93千米/小时），有效载荷2500磅（1100公斤）。mz-3a飞艇能留空12小时以上，巡航高度在近地和9500英尺（2900米）之间。
已经设计了一个万向架飞艇成像系统（gais）原型机并成功集成在海军的mz-3a飞艇上。该样机集成了一个小面阵、320×256像素、30μm间距的lwir qwip（量子阱红外探测器）摄像机进行热成像。摄像机有一个50mm f/2.0镜头，安装在一个egimbaltm万向架上。还集成了一个29mp光电（eo）摄像机，同时进行固定的最低点指示彩色成像。用一个携带式小面阵计算机运行成像传感器、gps/ins和万向运动控制组件。为进行仪器控制、数据收集和直接传感器地理定位研发了定制软件。图1是飞艇平台上的万向架和传感器有效载荷。
还研发了万向架步进-凝视技术，以获得多幅地面幅宽的、地理空间准确的高分辨率lwir航空图像。尤其是，为mz-3a飞艇上的50mm透镜qwip摄像机搭配了一个三步航迹交叉凝视（ats）功能。3步航迹交叉凝视曝光在步进-凝视图像中能产生10%的重叠，实现大约30°的总视场。在3000英尺离地高度飞行时，lwir成像装置的地面采样距离（gsd）为大约60厘米。
光电摄像机的曝光与qwip传感器同步。光电摄像机用300毫米镜头，在3000英尺的离地高度提供2厘米 gsd的灰度图像。但是，原型万向架的载荷能力仅限于3步ats lwir或者5步ats eo。当lwir系统装在万向架内时，光电系统只能安装在gais系统后面的最低点处。
图1 安装在美国海军mz-3a飞艇上摄像机吊舱内的万向架lwir摄像机和固定光电传感器
图2a是qwip的拼接图。该图显示沿着地面航迹拍摄的一组lwir/eo图像帧。万向架lwir 3步ats图像技术将热像幅宽扩展到498米，使它大大宽于固定安装的光电系统提供的114米宽度。图2b和2c显示了光电系统拍摄的2厘米gsd的样例。注意人的大拇指都能分辨出来。
图2 a)沿着一条地面航迹拍摄的一组lwir/光电图像；b)放大的图像；c)进一步放大的图像
3 lwir巴尔的摩城市绘图
2013年9月24日到10月2日，在巴尔的摩市上空，用美国海军飞艇mz-3a上的gais系统采集了大量数据。gais提供的热红外原始图像和谷歌地图兼容的地面覆盖图一样好。用精确的gps/ins测量结果融合这两组数据，使这组航空图像可以快速集成到各种地理信息系统（gis）中。
gais的地面覆盖图像用于即时lwir显示，保证所需的数据覆盖。图3a显示的宽8.63千米、高4.67千米的面积，由15条飞艇航线和大约7500个qwip传感器图像帧组成，图中还显示了用gaislwir快速视图拼接的分层图。飞行测试的平均高度为3000英尺。每次飞行的时间大约为15分钟。这15条飞行线的净绘图时间约在4小时内，这表明基于mz-3a飞艇的gais系统能够以至少50平方千米/天的速度进行高效的城市级绘图，并且图像质量十分高。
gaislwir原始图像以16比特数字格式存储，其中包括嵌入有传感器温度测量数据的机载温度计数据。lwir原始图像还可经过进一步处理用于高级应用。图3b是我们对原始数据进行的初步后期处理的例子，该图是图3a中蓝框内小面积的放大图，显示了巴尔的摩城市内港区域的细节。通过估算，99%像素的表面温度在10到42℃，原始图像的数字格式经过重新调整能适合估算的温度范围。在再次调节后，拼接了图3b的图像，其中包括从东向西飞行的147帧3步ats原始曝光图。图3c是伪彩图像，采用特殊的颜色指数以便更容易看清海面上的温度差异。图3d是图3b的伪彩图像，以便更好地区分地面目标的温差。图3b到3d这组处理过的图像说明了万向架qwip摄像机成像系统本身的空间和信号质量；尤其是图3c表明，qwip摄像机有良好的辐射分辨率，可以区别内港水面的温差。
图3 在巴尔的摩市中心和内港上空拍摄的万向架lwir热像绘图数据采样
4 讨论
对遥感成像仪来说，一个设计合理的响应快、地理空间精确的成像万向架是个性能倍增器，它不仅能扩大lta平台上的成像系统的视场（如巴尔的摩飞艇试验表明的），还能为更多应用提供运动补偿和灵活的视角。
飞艇的飞行力学特别适合万向架应用。它的空速较慢、平台稳定，可使万向成像系统以较少的飞行线实现更快、更广的覆盖面。除此之外，一个合适的万向架还能进一步增强平台稳定性并消除动态模糊，这一点对lwir/eo的高分辨率来说很重要，例如，对lwir，gsd在30厘米以下；对光电，gsd在1厘米以下。
当为万向架空中成像/绘图应用选择成像仪时，以像素数为标准的大面阵焦平面阵列（fpa）的最高分辨率也许不是最合适的考虑因素。简单来说，要考虑因素有lwir探测器材料的晶片尺寸限制、光学元件的可获得性和swap限制，还有与感兴趣的波长（如10、15μm或更长波长）相关的像素尺寸衍射限。步进凝视可以有效补偿某些小型fpa系统的分辨率限制。这一点对最新代的低swap lwir成像仪而言尤其如此，这种成像仪通常有更快的帧速/数据吞吐量、很高的信号质量，以及各式各样的镜头和镜头设计。这种较小的传感器对万向结构更适合、更实用。
对lwir光谱区域来说，地理空间万向架的能力特别重要。本文作者通过对比劳伦斯市的lwir绘图（在塞斯纳飞机上采用最低点安装的是：nasa的qwip成像仪：像素1024×1024、透镜f/2.5 100mm，像素间距19.5μm ）和巴尔的摩市的lwir绘图（在飞艇上安装的是：nasa的万向架成像仪：像素320×256、透镜f/2.0 50mm、像素间距30μm）的60厘米gsd数据结果发现，后者的空间成像更加清晰。
5结论
最近在mz-3a飞艇上用万向架型lwir成像系统对巴尔的摩和马里兰州做的城市绘图，证明了以下结果：1）利用定制的成像系统（如gais样机），低速飞机就能可靠地用做绘图平台；2）为此测试开发的万向架-步进凝视工作（gsso）法是一个实用高效的手段，可同时实现高分辨率成像和宽视场覆盖；3）使用gsso，一个小面阵、快帧率lwir qwip成像仪经过优化，可用于城市级高分辨率热像绘图。
工程师使用运动捕捉组件和其他技术的印刷电路板来研究机器人的思维
赛灵思获利超标，盘后劲扬 5%
苹果新专利显示未来iMac或自带投影仪
海外疫情全面爆发 全球智能手机出货量持续下滑
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室内空气污染愈演愈烈，新风系统如何实现呼吸自由
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超高速10位CMOS D/A转换器AD9751的原理、特点及应用设计
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