Forskare vid U.S. Army Research Laboratory har utvecklat en ny typ av värmekamera som låter soldater se gömda föremål som tidigare inte kunde upptäckas.

Dr Kristan Gurton, en experimentell fysiker vid direktoratet för beräknings- och informationsvetenskap, och Dr Sean Hu, en elektronikingenjör i direktoratet för sensorer och elektronenheter, leder detta arbete för laboratoriet.

Enligt Gurton, alla föremål som har en temperatur som inte är noll avger termisk strålning i den infraröda delen av spektrumet, och intensiteten av den strålningen är proportionell mot dess temperatur.

Termisk strålning finns alltid i miljön oavsett om det är dag eller natt, vilket är anledningen till att armén använder värmekameror för att se föremål som ofta är gömda i mörkret.

Dock, förutom intensiteten av den infraröda strålningen, det finns en annan egenskap hos ljus som ofta ignoreras när det kommer till avbildning:polariseringstillstånd.

"Forskare har vetat i cirka 30 år att konstgjorda föremål avger termisk strålning som är delvis polariserad, till exempel, lastbilar, flygplan, byggnader, fordon, etc., och att naturliga föremål som gräs, jord, träd och buskar tenderar att avge termisk strålning som uppvisar mycket liten polarisering, " sa Gurton. "Vi har utvecklat, med hjälp av den privata sektorn, en speciell typ av värmekamera som kan spela in bilder som enbart baseras på ljusets polariseringstillstånd snarare än intensiteten. Denna ytterligare polarimetriska information gör det möjligt för soldater att se dolda föremål som tidigare inte var synliga när de använde konventionella värmekameror."

Gurton fortsätter utvecklingen av kamerans hårdvara, medan Hu arbetar med mjukvara utformad för att på bästa sätt utnyttja den ytterligare information som termisk polarimetrisk bildbehandling ger.

Enligt Gurton, medan armén alltid har haft ett robust konventionellt värmeavbildningsprogram, hans ansträngningar är ett naturligt framsteg som försöker utveckla tekniken ytterligare.

"Soldatspecifika applikationer som vi har undersökt inkluderar upptäckt av dolda snubbeltrådar och fällor, förbättrad förmåga att se kamouflerade mål, identifiering av nedgrävda landminor och improviserade explosiva anordningar, och förbättrad inriktning och spårning av missiler, murbruk, obemannade flygfarkoster och andra luftburna hot, sa Gurton.

Teamets senaste och spännande upptäckt involverar förmågan att upptäcka och identifiera specifika mänskliga ämnen under totalt mörker.

"Innan vår forskning vid ARL, det enda sättet att se människor på natten var att använda konventionell värmeavbildning, " sa Gurton. "Tyvärr, sådana bilder plågas av en "spökeffekt" där detaljerade ansiktsdrag som krävs för mänsklig identifiering går förlorade. Dock, när polarisationsinformation ingår i den termiska bilden, dvs. en termisk polarimetrisk bild, fina ansiktsdetaljer framträder, som gör att ansiktsigenkänningsalgoritmer kan användas."

På grund av den tekniska svårigheten att bygga termiska polarimetriska kamerasystem, mycket lite forskning hade utförts innan Gurton och Hus engagerade sig i att studera detta nya fenomen med början 2005.

"Vårt primära mål var att utveckla en ny typ av kamerasystem som kunde upptäcka föremål som var svåra, eller omöjligt, för att se hur man använder nuvarande toppmoderna värmekameror, sa Gurton.

"Vi samarbetar med den privata sektorn på ett tvåsidigt tillvägagångssätt där både forskningsklassade och robusta polarimetriska kameror av kommersiell kvalitet utvecklas, ", sa Gurton. "Det är vår förhoppning att i framtiden, alla utplacerade värmebildsystem från försvarsdepartementet kommer att ha en polarimetrisk förmåga som kan implementeras med en enkel knapptryckning."

Forskarnas primära privata sektor som arbetar med polarimetrisk bildbehandling är Polaris Sensor Technologies, Inc., i Huntsville, Alabama.

Förhållandet mellan ARL och Polaris har formaliserats genom arméns Small Business Innovation Research-program.

"Målet med relationen med Polaris är att övervinna alla tekniska problem som plågade tidigare försök med en ny värmekamera, och vi har varit framgångsrika ända sedan vi implementerade denna nya teknik, sa Gurton.

"Strax efter att jag anställdes på ARL som experimentell fysiker 1998, Jag ärvde ett gäng gamla 1980-tals värmekameror från en pensionerad vetenskapsman, ", sa Gurton. "Jag blev intresserad av att studera termisk strålning och jag ville göra något som var nytt och nytt, och det hade inte studerats uttömmande. Jag hittade flera gamla tekniska papper från 1980-talet som beskrev misslyckade försök att försöka implementera termisk polarimetrisk avbildning."

När Gurton talade med de olika ingenjörerna i både den privata sektorn och DOD som var involverade i de tidigare ansträngningarna, de uppgav att de problem som begränsade tidigare försök berodde på alltför komplex design, vilket ledde till betydande felregistreringsfel för pixlar, vilket gjorde systemen oanvändbara.

"Vi tog dessa lärdomar och jag utfärdade mitt första Small Business Innovation Research-kontrakt med Dr. David Chenault på SY Technologies, nu president på Polaris Sensor Technologies, sa Gurton.

De största problemen med tidigare ansträngningar var tvåfaldiga. Först, tidiga ansträngningar var alldeles för komplexa, Hon sa.

"Tidigt på, forskare försökte placera mikropolarisatorer på individuella pixlar i mikronstorlek i den infraröda focal-plane-arrayen, eller FPA, ", sade Gurton. "Både FPA:erna och mikropixelpolarisatortekniken på 80- och 90-talen var ganska osofistikerade. Under mitt första kontrakt, Jag betonade en KISS-strategi, till exempel, håll det enkelt dumt, och jag insisterade på att konkurrerande företag skulle undvika den så kallade mikropixelmetoden och föreslå mycket enkla koncept för att producera ett kalibrerat termiskt polarimetriskt kamerasystem av forskningskvalitet som faktiskt skulle fungera. För denna nya design, vi bestämde oss för en enkel metod med roterande element, som fortfarande är guldmyntfoten idag."

Det andra problemet gällde felregistrering av bilder som plågade tidigare system, Hon sa.

"I allmänhet, en polarimetrisk bild är faktiskt en subtraktion av två perfekt registrerade bilder, ", sa Gurton. "Om de två bilderna är något felregistrerade, det kommer inte att fungera. Vi satte upp ett mål om en minsta grad av missregistrering på 1/10 av en pixel som måste uppfyllas. För närvarande, Polaris Sensor Technologies, Inc., utvecklar rutinmässigt system som har mindre än 1/20 av pixelfelregistrering."

Gurton sa att hon tror att framtiden för kommersialisering kommer att innebära att implementera den tidigare mikropixel FPA-metoden som visade sig vara så svår, och är fortfarande extremt tekniskt utmanande.

Trots svårigheterna, Polaris har framgångsrikt producerat en mikropixelbaserad kamera med okylda mikrobolometrar och demonstrerar det i arméns fälttester och på drönare.

När det gäller nästa steg för att förverkliga denna teknik, Gurton och de andra forskarna arbetar aktivt med att miniatyrisera kameraplattformen och göra systemen mer överkomliga.