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美国陆军航空与导弹研究、发展与工程中心(AMRDEC)正在为小型无人机系统(SUAS)发展一种微型非制冷红外能力。2007年，AMRDEC为室内和野外实验评估研制了一套非制冷的微测辐射热计系统，实验测试包括特定目标库的选择，以确保最初的建模与仿真预测的正确性。在此基础上，AMRDEC又研制了两台受控飞行试验(CFT)样机，并于2008年通过微型非制冷红外传感器进行了图像获取。几次实验中的配置已建立了一个复杂的数据库，这些配置包括俯视角、视场、环境、飞行高度以及目标场景的变化等，在野外试验中采集的数据被AMRDEC其他部门人员用来研发跟踪算法和图像稳定软件。本文将要介绍的研究内容包括：(1) 机载数字数据记录功能；(2) 图像视觉确认的模拟数据链；(3) 传感器的封装与设计，包括红外和可见光摄像机；(4) 野外试验与数据采集结果；(5) 未来计划；(6) 潜在应用等。另外，AMRDEC最近还研发了一种间距为17μm的探测器阵列。本文计划在并行飞行试验中对间距为17μm和25μm的微测辐射热计同时进行测量。
美国陆军、AMRDEC现已开始研发小型无人系统和小型军用设备的红外方案，由于红外传感器在重量、体积以及功率方面的影响，这些系统受到了严格的限制，AMRDEC对现有的以及新兴的满足要求的红外传感器进行了一次技术回顾，并得出了用非制冷长波红外微测辐射热计进行夜间探测的结论，AMRDEC采用热成像建模软件NVThermIP对系统开始建模。这种性能模型使AMRDEC能根据系统要求对空间进行定义，已经采购了一些先进传感器，并开始搭建测试平台并进行系统集成。最近几年，AMRDEC研究了微测辐射热计的特性，这项工作使得AMRDEC在实际的应用中能成功地采纳并发展该项技术。本文的目的在于对武器研制与集成(WDI)部门正在进行的传感器分析与开发工作进行总结。本文记载了飞行测试平台的发展，包括奥特洛飞行器、各种飞行试验、建模以及仿真工作等，并且对将来的工作也进行了讨论。顺便说明一下，AMRDEC从两个不同的生产商那里购买了相机，为了保护潜在的专有信息，这两个公司的名字在文中被隐去，用A和B代替，并且，来自于同一公司的多款相机将在文中顺序地使用A1、A2等代替。
AMRDEC已经采购并开发了两个奥特洛空气测试平台，这为在实际飞行环境中测试潜在的小型无人机系统的各个组成部分提供了条件。对每个奥特洛测试平台来说，主要子系统是传感器、计算机系统(Matrox公司生产)、数据存储、通信链以及电源等设备。应用于飞行试验中的红外传感器是由A制造商生产的，这款非制冷焦平面阵列（FPA）具有320×240像元的分辨力，并以30Hz的帧速率将数据存储到磁盘。为相机A设计和制作了带有数字接口的印制电路板，使数据可以通过标准接口的采集卡传输到Matrox计算机系统中，带有数字电路板的摄相机电子系统如图1所示。受控飞行试验中的可见光传感器采用的是Micron MT9T001，数据通过分辨率为1024×768的Micron MT9T001以15Hz帧速率采集到磁盘中。这部可见光相机带有一个定制的小型推出板和标准的演示板读出电路系统，数字数据通过USB2.0接口传送到Matrox计算机系统中。可见光相机及其电子器件如图2所示，可以看到，奥特洛架将相机紧紧地固定在奥特洛实验平台上。
通过接收器Garmin 15H采集GPS数据，该GPS精度为3米，并与Holux10003 GPS天线配对使用，通过RS-232接口将数据传送到Matrox计算机系统中。
Matrox 4-Sight M是一种小型计算机系统，它带有一个2GHz的奔M中心处理单元（CPU），输入量的可变范围比较大，设计上持久耐用，并可以容纳3个PC/104+卡，它的这些特性成为选择这一系统的主要原因，因为：
(4) 选用PC/104+帧采集卡采集两个视频源的视频。从图3可以看出，Matrox设备内有足够的未使用空间以保证不同的传感器和调制解调器有各自的电力切换开关和电路断路器。
由于固态硬盘耐久性与抗振性好，因此选择64吉比特的固态硬盘进行数据存储，固态硬盘放在硬驱动壳体里，这些壳体与安装在Matrox组件顶部的硬驱动载体连接，Matrox组件由底部的Matrox 4-Sight M，中部的显微射频调制解调器，以及顶部的硬盘驱动器组成，其装置如图3所示，由于固态硬盘的易接触性和奥特洛实验平台的便于集成，该装置工作完好。
显微IP 921 RF 900 MHz的调制解调器下行链接到地面站以验证系统的实时操作性，此外，将固态硬盘的状态通过数据链提供给地面控制站，该调制解调器可以将系统命令发送到机载计算机和传感器上。
采用两个Thunder Power公司的4200mAh，14.8V聚锂电池对装置进行供电，两块电池并行连接，提供8400 mAh的电流，保证装置持续工作超过2.5小时。
2008年9月，AMRDEC在尤马试验场进行了一次飞行试验，这次试验采用奥特洛实验平台，试验从9月29号截至到10月3号。受控飞行试验的目的是收集沙漠环境下各种情景的目标库的高质量图像。这类图像有两个用处：第一，由AMRDEC工程师为多应用程序开发自动跟踪算法（ATA），运动目标指示（MTI）和图像稳定技术；第二，可以通过分析该类图像来评估收集数据的红外传感器的性能。
目标库中的目标包括人、轻型卡车等，这主要取决于小型无人系统的操作目的，共设定了七种场景，包括移动或静止的个人，移动或静止的团体，被部分遮挡的人，交叉的个人，交叉的团体等，设置这些场景的目的是测试自动跟踪算法，运动目标指示和图像稳定技术的鲁棒性。
实验中需考虑的因素包括：目标库、传感器俯视角、飞行高度、空速、试验时间，以及传感器(两个带不同光学系统的红外传感器和一个可见光传感器)等。
在测试期间，红外与可见光相结合大约采集了512次数据。通过A公司的两个相机采集数据：A1光学孔径为18mm，A2光学孔径为25.7mm。另外，微米级可见光相机大都被应用在白天的工作任务中。通过红外传感器采集的数据采用的是数据头包含GPS数据的12位原始防空图像格式，在大多数任务中关掉自动增益控制（AGC），而在所有任务中自动非均匀校正都是开着的。在飞行试验中，除了搜集图像外，还搜集背景温度、目标温度以及计量数据等。
在每个任务中，目标的模式通过七种场景来描述，这些模式已列于表1中并作为对“人”目标定位的一个大体引导。在实验中，两辆车和两个帐篷被放在指定的试验区，分散目标和车辆的实际位置取决于数据库中稳定操作的运行机制，图4显示试验中车辆和帐篷的相对位置。
如图4所示，边界区域被指定为“人”目标的位置，如图中的点1、2、3、4选择该区域作为“人”目标的位置是为了减小测试人员的安全隐患，相对该区域的飞行角度的设定也考虑了因能量不足或失控时飞机降落的可能行。点5和点6为试验区东西两侧的箔标记位置，点7和点8为帐篷的位置，而点9和点10为两辆车的位置，GPS记录了每个点的位置以供将来参考。2006年建模与仿真的初步结果促成第一个概念传感器的设计，该传感器可满足小型无人机现在以及将来的应用需求。在初始要求中采用小于1英寸的光圈进行模型设计，随后通过比较各个波段的变化、光学系统F数、孔径尺寸、阵列尺寸，以及像元间距等来确定原始系统的最佳候选条件。初步评估的结果是：长波红外是最理想的波段，17μm像元尺寸，640×480阵列并且光学孔径为1英寸的焦平面阵列是最好的选择。同时，由于17μm像元尺寸的焦平面阵列不容易购买，所以AMRDEC采购了两个25μm，320×240的焦平面阵列，一个是25.7mm的光学孔径，另外一个是18mm的光学孔径，这两个相机与A1和A2相同，具体信息已在本文飞行试验的奥特洛试验平台中描述过。2007年，为了满足25μm(即A1和A2)及其它四个升级单元的配置布局，采用了更全面的NVThermIP建模软件。25μm像元尺寸的相机A第一次应用于红石兵工厂的飞行试验中，随着自动跟踪算法，运动目标指示和图像稳定算法的研制，图像的质量证明了基于可选输入的模型能产生有效的结果。该模型再一次证明了带有最大可能光学孔径的17μm焦平面阵列能产生最好的效果，该模型也显示18mm光学孔径像元尺寸为25μm的焦平面阵列性能最差。基于此，有较低限制、探测器间距和阵列尺寸以及孔径增大将产生更好的图像。2008年的建模是对过去工作的延伸，此时，对未来小型无人机的要求更具体，例如，像元尺寸为17μm，阵列为640×480，光学孔径为14mm的相机。2008年，A公司的两种产品在尤马试验场进行飞行试验，此次试飞，目的是为了进一步研制自动跟踪算法，运动目标指示技术，同时提供不同倾斜角度“人”目标的图像。飞行场景中目标的温度变化范围从3.5℃到35℃。2008年的工作主要集中于提升NVThermIP模型的性能，减小风险。将来的许多小型无人飞行系统将使用人为控制系统，因此，密切配合实际场景是很重要的。NVThermIP建模软件中一些常用的输入如表2所示，这些值代表了提供准确测量输入的传感器、显示器以及目标特性的实际场景。除了模型中常用的参数外，噪声和灵敏度的测量如表3所示，噪声等效温差用噪声测量，其中尺寸为25μm的焦平面阵列指的是A1和A2，尺寸为17μm的焦平面阵列指的是相机B。
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| 25μm320×240阵列，25.7mm光学孔径相机 | | | | |
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下图表示在尤马试验场试飞的光学孔径为25μm相机(即A1和A2)的曲线图，由于实验中感兴趣的目标是人，所以温度变化范围很小，当温度变化量超过10℃时，其曲线的变化是不明显的，因此图中仅给出相机A1和A2在温度变化量为3℃和10℃时的性能曲线。由于温度变化量为3℃的目标较难探测，所以相机B仅给出了温度变化量为3℃时的性能曲线。从图中可以看出，相机B的性能曲线两侧都被两条曲线所包围，所以对于25μm传感器而言，其性能介于25.7mm和18mm的光学孔径之间，换句话说，像元尺寸为17μm相机不比尺寸为25μm、光学孔径为18mm的相机差，但也不会好于尺寸为25μm、光学孔径为25.7mm的相机。图5中的圆圈表示目标的近似倾斜范围，其图像效果见图6，图7和图8中所示。由于拍摄的是实际目标与背景的温度变化，因此其曲线介于3℃和10℃之间，并且在实验中已被记录下来。倾斜角度越小，越容易被探测，所以图中沿曲线向下的圆圈代表了难以探测的情形。对NVThermIP来说，对任何给定范围内的探测可以看成是探测到感兴趣目标的百分比，需要强调的是，图6，7，8中显示的是单帧数据的效果图，当帧频为30Hz时，人眼能够观测到运动模糊效果。假定NVThermIP只探测静止目标，因此在这几次任务中，目标都是相对静止物体运动，使得更容易被探测。图5中紫色的圆圈显示了约在175m处最易探测的情形，在25.7mm光学孔径的相机中目标显示为黑色，这主要是因为实验是在午后进行的，而此时背景比目标的温度高，此时目标和背景的温度相差35℃，在上午背景比目标温度低3.5ºC时，采用18mm光学孔径相机拍摄的目标显示为白色，在该探测距离处，这两台相机均约有100%的探测率，这也意味着采用17μm相机也能取得很好的效果。图6 175m处用间距为25μm、光学孔径为25.7mm相机（左)、光学孔径为18mm相机(右)获得的图像
图7显示的第二组数据是在约300m探测距离处拍摄的，代表了一种较难于探测的情形，在该距离处探测的概率如图5中橙色圆圈所示，25.7mm光学孔径探测器的图像温度差为9℃，18mm光学孔径探测器的图像温度差为7℃，由于在该距离处的探测概率很高，采用尺寸为17μm，光学孔径为14mm的探测器也能取得图7中的效果。
图7 300m处用间距为25μm，光学孔径为25.7mm相机(左)、光学孔径为18mm(右)获得的图像
图8显示了探测距离为550m处较难探测的情形，其探测概率如图5中的红色圆圈所示，两幅图像中的温度差均为7℃左右，在该距离处的探测效果表明18mm光学孔径探测器对地面采样不灵敏，在图像质量上的差别更容易区分，此种情形也表明通过观测单帧图像而不是视频序列来识别目标将会更加困难。
将模型结果与上述图像比较可以发现，采用17μm像元尺寸，14mm光学孔径的相机在不同探测距离处拍摄的图像效果非常相近，这一点不容忽视，因为带有更小光学孔径的17μm阵列尺寸的探测器是将来的需求方向。未来的需求正在向640×480像元数，整体规模较小的焦平面阵列方向发展，而17μm像元间距的焦平面阵列将更合适。这不仅意味着图像视场(最低点处)将至少提高6.5倍，并且停留在目标上的时间将更长。在有人参与的系统中，停留在目标上的时间是一个重要的因素，并且这不易通过建模来解决。在高分辨率的条件下，相机可以配合更小的光学系统以节省整个系统的空间和重量，目的是为了在实际图像和建模中建立连接，进一步降低将来建模的风险。图8 550m处用25μm单元探测器尺寸25.7mm光学孔径相机(左)、18mm光学孔径相机(右)获得的图像
本文的目的在于发展有优势的技术，为现阶段以及未来陆军的需求提供实际的解决办法，AMRDEC将继续为小型无人系统提供先进性能以及红外解决方法。在过去几年里，AMRDEC已对非制冷微辐射热计进行了建模、特性研究、野外试验和性能评估，通过努力已经找到了小型无人系统的解决方案，在现在以及将来要实现的任务中，AMRDEC将填补需求和性能之间的差距，确保军用系统能继续为战士提供最佳的技术。这项研究为发展自动跟踪算法，运动目标指示和图像稳定技术提供高质量的图像，同时还对高级非制冷微辐射热计进行开发、测试和评估。未来的计划包括为B传感器制作一个14mm的光学系统，在奥特洛实验平台上进行集成和飞行，并将这些技术推广到现在以及将来的平台中。
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