stringtranslate.com

Воздушная сигнализация в реальном времени Гиперспектральная расширенная разведка

Самолет Gippsland GA8 Airvan Гражданского воздушного патруля США с полезной нагрузкой ARCHER
Офицер CAP очищает портал из кварцевого стекла GA8, оснащенного ARCHER, перед миссией.
Консоль кабины

Гиперспектральная расширенная разведка с воздушным управлением в реальном времени , также известная под аббревиатурой ARCHER , представляет собой систему аэрофотосъемки, которая создает изображения местности гораздо более детальные, чем это может сделать обычный обзор или обычная аэрофотосъемка . [1] По словам представителей правительства США, это самая сложная из существующих незасекреченных систем гиперспектральной визуализации . [2] ARCHER может автоматически сканировать подробные изображения на предмет заданной сигнатуры искомого объекта (например, пропавшего самолета), [3] на предмет аномалий в окружающей местности или изменений по сравнению с предыдущими записанными спектральными сигнатурами. [4]

Он имеет прямое применение для поисково-спасательных операций , борьбы с наркотиками , оказания помощи при стихийных бедствиях и оценки последствий, а также национальной безопасности и был развернут Гражданским воздушным патрулем (CAP) в США на построенном в Австралии самолете Gippsland GA8 Airvan . [2] CAP, гражданское вспомогательное подразделение ВВС США , является волонтерской образовательной и общественной некоммерческой организацией, которая проводит поиск и спасение самолетов в США.

Обзор

ARCHER — это дневная неинвазивная технология, которая работает путем анализа отраженного света объекта. Он не может обнаруживать объекты ночью, под водой, под густым покровом, под снегом или внутри зданий. [5] В системе используется специальная камера, обращенная вниз через портал из кварцевого стекла в нижней части самолета, который обычно летает на стандартной высоте полета 2500 футов (760 метров) и путевой скорости 100 узлов (50 метров в секунду). . [6]

Системное программное обеспечение было разработано корпорацией Space Computer Corporation из Лос-Анджелеса, а системное оборудование поставлено корпорацией NovaSol Corp. из Гонолулу, Гавайи, специально для CAP. [5] [7] Система ARCHER основана на исследованиях и испытаниях гиперспектральных технологий, ранее проведенных Исследовательской лабораторией ВМС США (NRL) и Исследовательской лабораторией ВВС (AFRL). [7] CAP разработала ARCHER в сотрудничестве с NRL, AFRL и Центром исследований и разработок береговой охраны США в рамках крупнейшего межведомственного проекта, реализованного CAP за свою 74-летнюю историю. [8]

С 2003 года на разработку и развертывание было потрачено почти 5 миллионов долларов США, утвержденных Законом об ассигнованиях на оборону 2002 года. [5] По состоянию на январь 2007 года CAP сообщила о завершении первоначального развертывания 16 самолетов по всей территории США и обучении более 100 операторов, но использовала систему только в нескольких поисково-спасательных миссиях и не отметила, что она была первой, кто найти любые обломки. [9] В ходе поисков в Джорджии и Мэриленде в 2007 году ARCHER обнаружил обломки самолета, но в обеих катастрофах никто не выжил, по словам полковника Дрю Алекса, директора по передовым технологиям и руководителя программы ARCHER в CAP. [1] Самолет, оснащенный ARCHER, из крыла Гражданского воздушного патруля штата Юта, использовался в поисках искателя приключений Стива Фоссета в сентябре 2007 года. [3] [10] ARCHER не обнаружил г-на Фоссета, но сыграл важную роль в обнаружении восьми ранее неизведанные места крушения в высокогорной пустынной местности штата Невада , [11] [12] возрастом несколько десятилетий. [13] [14]

Полковник Алекса описал систему прессе в 2007 году: «Человеческий глаз видит в основном три полосы света. Датчик ARCHER видит 50. Он может видеть аномальные объекты в растительности, такие как металл или что-то из обломков самолета». [1] Майор Синтия Райан из Гражданского воздушного патруля Невады , также описывая систему прессе в 2007 году, заявила: «ARCHER — это, по сути, нечто, используемое в науках о Земле. Это довольно сложная штука… за пределами того, что обычно может видеть человеческий глаз, [ 15] Далее она пояснила: «Он может видеть валуны, он может видеть деревья, он может видеть горы, полынь, что угодно, но он говорит «не то» или «да, это». может видеть всего лишь 10 процентов цели и экстраполировать оттуда». [16]

В дополнение к основной поисково-спасательной миссии CAP протестировала дополнительные варианты использования ARCHER. [17] Например, CAP GA8, оборудованный ARCHER, использовался в пилотном проекте в штате Миссури в августе 2005 года для оценки пригодности системы для отслеживания выбросов опасных материалов в окружающую среду, [18] и один был развернут для отслеживания разливов нефти в штате Миссури. последствия урагана Рита в Техасе в сентябре 2005 года. [19]

С тех пор, в случае с рейсом, вылетевшим из Миссури, система ARCHER доказала свою полезность в октябре 2006 года, когда обнаружила обломки в Антлерсе, штат Оклахома. [20] Национальный совет по транспорту и безопасности был чрезвычайно доволен данными, предоставленными ARCHER. , который позже использовался для обнаружения обломков самолетов, разбросанных на многие километры пересеченной лесистой местности. В июле 2007 года система ARCHER обнаружила разлив нефти, вызванный наводнением, возникший на нефтеперерабатывающем заводе в Канзасе, который распространился вниз по течению и вторгся в ранее не подозревавшиеся области резервуаров. [21] Клиентские агентства (EPA, Береговая охрана и другие федеральные агентства и агентства штата) сочли данные необходимыми для быстрого устранения проблем. В сентябре 2008 года гражданский воздушный патруль GA-8 из Техасского крыла искал пропавший самолет из Арканзаса. Он был найден в Оклахоме и опознан одновременно наземными поисковиками и пролетающей системой ARCHER. Это было не прямой находкой, а подтверждением точности и эффективности системы. В ходе последующего восстановления выяснилось, что АРЧЕР нанес на карту область обломков с большой точностью. [ нужна цитата ]

Техническое описание

Основные компоненты подсистемы ARCHER включают: [6]

Гиперспектральный имидж-сканер

Дистанционный датчик пассивной гиперспектральной спектроскопии наблюдает цель в мультиспектральных диапазонах . Камера HSI разделяет спектры изображения на 52 «ячейки» от длины волны 500 нанометров  (нм) в синем конце видимого спектра до 1100 нм в инфракрасном , что дает камере спектральное разрешение 11,5 нм. [22] Хотя ARCHER записывает данные во всех 52 диапазонах, вычислительные алгоритмы используют только первые 40 диапазонов, от 500 нм до 960 нм, поскольку диапазоны выше 960 нм слишком зашумлены , чтобы быть полезными. [23] Для сравнения, нормальный человеческий глаз реагирует на длины волн примерно от 400 до 700 нм , [24] и является трихроматическим , то есть колбочки глаза воспринимают свет только в трех спектральных диапазонах.

Когда самолет ARCHER пролетает над районом поиска, отраженный солнечный свет собирается объективом камеры HSI. Собранный свет проходит через набор линз, которые фокусируют свет, формируя изображение земли. Система визуализации использует метод «метализатора» для получения изображений. При использовании метода «метализатора» фокусировочная щель уменьшает высоту изображения до эквивалента одного вертикального пикселя, создавая изображение в виде горизонтальной линии.

Изображение горизонтальных линий затем проецируется на дифракционную решетку, которая представляет собой очень мелко вытравленную отражающую поверхность, рассеивающую свет в его спектрах. Дифракционная решетка специально сконструирована и расположена так, чтобы создавать двумерное (2D) изображение спектра из изображения горизонтальных линий. Спектры проецируются вертикально, т. е. перпендикулярно линейному изображению, благодаря конструкции и расположению дифракционной решетки. [ нужна цитата ]

Изображение 2D-спектра проецируется на двумерный датчик изображения устройства с зарядовой связью (CCD), который выравнивается так, что горизонтальные пиксели параллельны горизонтали изображения. В результате вертикальные пиксели совпадают со спектрами, создаваемыми дифракционной решеткой. Каждый столбец пикселей получает спектр одного горизонтального пикселя исходного изображения. Расположение вертикальных пиксельных датчиков в ПЗС-матрице делит спектр на отдельные и непересекающиеся интервалы. Выход CCD состоит из электрических сигналов для 52 спектральных диапазонов для каждого из 504 пикселей изображения по горизонтали. [ нужна цитата ]

Бортовой компьютер записывает выходной сигнал CCD с частотой кадров шестьдесят раз в секунду. На высоте самолета 2500 футов над уровнем земли и скорости 100 узлов частота кадров 60 Гц соответствует разрешению наземного изображения примерно одному квадратному метру на пиксель. Таким образом, каждый кадр, снятый с ПЗС-матрицы, содержит спектральные данные для полосы обзора длиной примерно один метр и шириной 500 метров. [23]

Сканер высокого разрешения

Черно-белая или панхроматическая камера высокого разрешения (HRI) устанавливается рядом с камерой HSI, чтобы обе камеры могли захватывать один и тот же отраженный свет. В камере HRI используется метод веерного сканирования, как и в камере HSI, с аналогичной линзой и расположением щелей, позволяющих ограничить входящий свет тонким и широким лучом. Однако камера HRI не имеет дифракционной решетки для рассеивания падающего отраженного света. Вместо этого свет направляется на более широкую ПЗС-матрицу для захвата большего количества данных изображения. Поскольку она захватывает одну линию изображения земли за кадр, ее называют камерой линейного сканирования. ПЗС-матрица HRI имеет ширину 6144 пикселя и высоту в один пиксель. Он работает с частотой кадров 720 Гц. При скорости и высоте поиска ARCHER (100 узлов над землей на высоте 2500 футов над землей) каждый пиксель черно-белого изображения представляет собой участок земли размером 3 на 3 дюйма. Такое высокое разрешение добавляет возможность идентифицировать некоторые объекты. [23]

Обработка

Монитор в кабине пилота отображает подробные изображения в режиме реального времени, а система также записывает изображение и данные глобальной системы позиционирования со скоростью 30 гигабайт (ГБ) в час для последующего анализа. [1] Бортовая система обработки данных выполняет многочисленные функции обработки в режиме реального времени, включая сбор и запись данных, коррекцию необработанных данных, обнаружение целей, метку и чипирование, прецизионную георегистрацию изображения , а также отображение и распространение изображений и сигналов цели. информация. [25]

В ARCHER есть три метода обнаружения целей:

При обнаружении изменений выявляются изменения сцены, а новые, перемещенные или ушедшие цели выделяются для оценки. [2] При сопоставлении спектральных сигнатур система может быть запрограммирована с использованием параметров пропавшего самолета, таких как цвета окраски, чтобы предупредить операторов о возможных обломках. [3] Его также можно использовать для поиска конкретных материалов, таких как нефтепродукты или другие химические вещества, выброшенные в окружающую среду, [18] или даже обычных предметов, таких как общедоступные синие полиэтиленовые брезенты . При оценке воздействия информация о местонахождении синих брезентов, используемых для временного ремонта зданий, поврежденных во время урагана, может помочь направить усилия по оказанию помощи при стихийных бедствиях; в качестве средства борьбы с наркотиками синий брезент, расположенный в отдаленном районе, может быть связан с незаконной деятельностью. [27]

Рекомендации

  1. ^ abcd Фрисс, Стив (7 сентября 2007 г.). «Камера наблюдения ARCHER поднимается в небо во время поисков Стива Фоссета» . Проводные новости . CondéNet, Inc. Архивировано из оригинала 20 февраля 2010 г. АРЧЕР… способен делать панхроматические аэрофотоснимки, гораздо более детальные, чем можно получить с помощью обычного зрения или обычной фотографии.
  2. ^ abc «Справочник по воздушной поддержке AFNORTH (AFD-070808-022)» (PDF) . Справочник по оборонной поддержке гражданских властей (DSCA) . ВВС США . 01 августа 2007 г. п. 51. Архивировано из оригинала (PDF) 29 мая 2008 г. Самая сложная из существующих несекретных систем визуализации HyperSpectral.
  3. ^ abc Фиорино, Фрэнсис (сентябрь 2007 г.). «Усовершенствованная система разведки помогает в поиске Фоссета». Авиационная неделя . МакГроу-Хилл. Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 года . Проверено 8 сентября 2007 г. По данным CAP, в систему ARCHER запрограммирован набор параметров, описывающих намеченную цель, включая ее цвет и форму.
  4. ^ Гудлин, подполковник Дуглас (3 августа 2007 г.). «Инструкция 10-2701 Гражданскому воздушному патрулю» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 28 августа 2008 г. HSI — также называется «ЛУЧНИК». HSI — это пассивная сенсорная система, которая наблюдает за целью в мультиспектральных диапазонах. {{cite journal}}: Требуется цитировать журнал |journal=( помощь )
  5. ^ abc Alexa, полковник Дрю (август 2005 г.). «Информационный бюллетень: Система гражданского воздушного патруля ARCHER» (PDF) . Гражданский воздушный патруль . Архивировано из оригинала (PDF) 8 июля 2007 г. Проверено 8 сентября 2007 г. HSI — это дневная неинвазивная технология, которая работает путем анализа отраженного света объекта.
  6. ^ ab Alexa, полковник Дрю (август 2005 г.). «Информационный бюллетень: Система гражданского воздушного патруля ARCHER: Технические характеристики» (PDF) . Гражданский воздушный патруль . Архивировано из оригинала (PDF) 8 июля 2007 г. Проверено 8 сентября 2007 г. ARCHER содержит усовершенствованную систему гиперспектральной визуализации (HSI) и камеру панхроматической визуализации высокого разрешения (HRI).
  7. ^ Аб Стивенсон, Б.; О'Коннор, Р.; Кендалл, В.; Стокер, А.; Шафф, В.; Алекса, Д.; Сальвадор, Дж.; Эйсманн, М.; Барнард, К.; Кершенштейн, Дж. (2005). Шен, Сильвия С.; Льюис, Пол Э. (ред.). «Проектирование и работа системы гиперспектральной обработки гражданского воздушного патруля ARCHER». Алгоритмы и технологии мультиспектральной, гиперспектральной и ультраспектральной съемки XI, Труды SPIE . Алгоритмы и технологии мультиспектральной, гиперспектральной и ультраспектральной съемки XI. 5806 : 731–742. Бибкод : 2005SPIE.5806..731S. дои : 10.1117/12.604471. Каждая система ARCHER состоит из разработанного NovaSol сенсора гиперспектральной визуализации (HSI) видимого/ближнего инфракрасного диапазона (VNIR), датчика видимой панхроматической визуализации высокого разрешения (HRI) с совмещенным прицелом и датчика CMIGITS-III GPS/INS. блок в комплексном сенсорном блоке, установленном внутри кабины ГА-8. ARCHER включает в себя бортовую систему обработки данных, разработанную Space Computer Corporation (SCC), для выполнения многочисленных функций обработки в реальном времени, включая сбор и запись данных, коррекцию необработанных данных, обнаружение целей, метку и чипирование, прецизионную географическую регистрацию изображения и отображение. и распространение имиджевой продукции и целевой информации.
  8. ^ Кард, Линда. «Когда информация улетучивается, воображение AFDW взлетает». Район ВВС США в Вашингтоне. Архивировано из оригинала 18 июля 2011 г. Проверено 31 октября 2007 г.
  9. ^ Баттон, Рик; Судья, RDML Уэйн (18 января 2007 г.). «Обычная сессия 1-07». Протокол заседаний . Национальный поисково-спасательный комитет. п. 4. Архивировано из оригинала (MS Word) 18 июля 2011 г. Проверено 8 сентября 2007 г. Доктор Пол Шуда (CAP) сообщил, что Гражданский воздушный патруль завершил первоначальное развертывание шестнадцати бортовых гиперспектральных расширенных разведывательных систем с сигналами в реальном времени…
  10. ^ Фрисс, Стив (7 сентября 2007 г.). «Друзья называют пропавшего авиатора находчивым». Газета "Нью-Йорк Таймс . Проверено 8 сентября 2007 г. …в среду прибыл самолет Гражданского воздушного патруля штата Юта с оборудованием, способным собирать гиперспектральные и панхроматические изображения…
  11. ^ Фрисс, Стив (11 сентября 2007 г.). «ФАУ призывает пилотов использовать цифровой передатчик». Газета "Нью-Йорк Таймс . Хотя «Арчер» не обнаружил г-на Фоссета, он сыграл важную роль в обнаружении как минимум восьми ранее незамеченных авиакатастроф в труднопроходимом регионе Сьерра-Невада.
  12. ^ «Искатели разочарованы поиском Фоссета» . США сегодня . Ассошиэйтед Пресс. 10 сентября 2007 г. Проверено 14 сентября 2007 г. ...поисковые группы обнаружили обломки еще восьми самолетов, которые годами пропадали в скалистых горах западной Невады и вокруг них.
  13. ↑ Райли, Брендан (8 сентября 2007 г.). «Обширная пустынная территория затрудняет поиски Фоссета». Монтерей Геральд . Архивировано из оригинала 11 сентября 2007 года . Проверено 10 сентября 2007 г. … еще один сбитый самолет в пятницу, который был замечен на склоне холма примерно в 45 милях к юго-востоку от Рино … оказался старой катастрофой, последний раз самолет был зарегистрирован в Орегоне в 1975 году.
  14. ^ Лапидос, Джульетта (11 сентября 2007 г.). «Могила неизвестного самолета: что случилось со всеми неизведанными обломками самолетов, которые мы находим в Сьерра-Неваде?». Журнал «Сланец» . Архивировано из оригинала 20 сентября 2007 г. …до появления высокотехнологичных поисковых устройств, таких как система визуализации ARCHER, которая может идентифицировать цели размером с мотоцикл на расстоянии 2500 футов. Одно из мест крушения, обнаруженное командой Фоссета, могло быть датировано 1964 годом…
  15. ^ Вуллард, Роб (5 сентября 2007 г.). «Высокотехнологичный самолет, использованный в охоте на авантюриста Фоссета». Агентство Франс-Пресс (АФП) . Yahoo! Новости . Архивировано из оригинала 21 сентября 2007 г.«ARCHER — это, по сути, нечто, используемое в науках о Земле», — сказал Райан. «Это довольно сложная штука… за пределами того, что может видеть человеческий глаз».
  16. ^ «Высокотехнологичный самолет ищет Фоссета» . NEWS.com.au. _ Новости Лимитед. 6 августа 2007 г. Проверено 8 сентября 2007 г.«Он может видеть валуны, он может видеть деревья, он может видеть горы, полынь и что угодно, но он говорит «не то» или «да, это», — сказала она.[ мертвая ссылка ]
  17. ^ "Система ARCHER HSI" . Корпорация космических компьютеров. Архивировано из оригинала 1 июня 2008 г. CAP нашел множество дополнительных применений для ARCHER, включая миссии по обеспечению внутренней безопасности, оценку стихийных бедствий и борьбу с наркотиками.
  18. ^ ab «Пилотный проект Агентства по охране окружающей среды и Министерства обороны США - характеристика загрязнения окружающей среды с помощью гиперспектральной визуализации с воздуха». Департамент природных ресурсов штата Миссури. Архивировано из оригинала 21 августа 2007 г. Департамент природных ресурсов штата Миссури... реализует пилотный проект по оценке экологического применения ARCHER...
  19. ^ "Гражданский воздушный патруль отвечает" . ВВС США . 26 сентября 2005 г. Проверено 20 июня 2014 г. Самолет Gippsland Aeronautics GA-8 «Airvan»… прибыл в аэропорт Западного Хьюстона, чтобы поддержать оценку урагана «Рита».
  20. ^ «Три тела найдены после авиакатастрофы в Оклахоме; четвертая жертва все еще пропала без вести (FOX News)» . Фокс Ньюс . Архивировано из оригинала 22 декабря 2007 г. Проверено 24 сентября 2009 г.
  21. ^ Годовой отчет Гражданского воздушного патруля Конгрессу за 2007 г.
  22. ^ «Технология HSI — Глоссарий». Технология гиперспектральной визуализации для неученых . Гражданский воздушный патруль . Архивировано из оригинала 22 июля 2011 г. Проверено 29 октября 2007 г.
  23. ^ abc «Технология HSI — изображения HSI и HRI». Гражданский воздушный патруль . Архивировано из оригинала 22 июля 2011 г. Проверено 31 октября 2007 г.
  24. ^ Фрейденрих, Крейг (10 июля 2000 г.). «Как работает свет». Как это работает . Архивировано из оригинала 27 октября 2007 года . Проверено 29 октября 2007 г.
  25. ^ Стивенсон, Б.; О'Коннор, Р.; Кендалл, В.; Стокер, А.; Шафф, В.; Алекса, Д.; Сальвадор, Дж.; Эйсманн, М.; Барнард, К.; Кершенштейн, Дж. (2005). Шен, Сильвия С.; Льюис, Пол Э. (ред.). «Проектирование и работа системы гиперспектральной обработки гражданского воздушного патруля ARCHER». Труды SPIE . Алгоритмы и технологии мультиспектральной, гиперспектральной и ультраспектральной съемки XI. 5806 : 731. Бибкод : 2005SPIE.5806..731S. дои : 10.1117/12.604471. ARCHER включает в себя бортовую систему обработки данных, разработанную Space Computer Corporation (SCC), для выполнения многочисленных функций обработки в реальном времени…
  26. ^ "Группа передовых технологий CAP: Гиперспектральная визуализация" . Гражданский воздушный патруль, национальный штаб. Архивировано из оригинала 14 августа 2007 г. … сопоставление сигнатур (сопоставление отраженного света со спектральными сигнатурами), обнаружение аномалий (вычисляет статистическую модель всех пикселей изображения, чтобы определить, существует ли вероятность того, что пиксель не подойдет).
  27. ^ «Инструменты анализа и визуализации данных HSI SCC в реальном времени» . Корпорация космических компьютеров. Архивировано из оригинала 22 марта 2008 г. Проверено 9 сентября 2007 г. Брезент в отдаленной лесистой местности — полезен для борьбы с наркотиками.

Внешние ссылки