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。