Гиперспектральная расширенная разведка с воздушным движением в реальном времени , также известная под аббревиатурой ARCHER , представляет собой систему аэрофотосъемки, которая производит наземные изображения гораздо более детализированные, чем это может сделать обычный вид или обычная аэрофотосъемка . [1] По словам представителей правительства США, это самая сложная из доступных неклассифицированных систем гиперспектральной визуализации . [2] ARCHER может автоматически сканировать подробные изображения для данной сигнатуры разыскиваемого объекта (например, пропавшего самолета), [3] на предмет аномалий в окружающей области или изменений по сравнению с ранее записанными спектральными сигнатурами. [4]
Он имеет прямое применение для поиска и спасания , борьбы с наркотиками , оказания помощи при бедствиях и оценки последствий, а также для обеспечения национальной безопасности. Он был развернут Гражданским воздушным патрулем (CAP) в США на построенном в Австралии самолете Gippsland GA8 Airvan с неподвижным крылом . [2] CAP, гражданское вспомогательное подразделение ВВС США , является добровольной образовательной и общественной некоммерческой организацией, которая занимается поиском и спасанием самолетов в США.
Обзор
ARCHER - это дневная неинвазивная технология, которая работает, анализируя отраженный от объекта свет. Он не может обнаруживать объекты ночью, под водой, под плотным укрытием, под землей, под снегом или внутри зданий. [5] В системе используется специальная камера, направленная вниз через портал из кварцевого стекла в брюхе самолета, который обычно летает на стандартной высоте полета 2500 футов (800 метров) и скорости относительно земли 100 узлов (50 метров в секунду). . [6]
Системное программное обеспечение было разработано Space Computer Corporation из Лос-Анджелеса, а системное оборудование поставлено NovaSol Corp. из Гонолулу, Гавайи, специально для CAP. [5] [7] Система ARCHER основана на исследованиях и испытаниях гиперспектральных технологий, ранее проведенных Лабораторией военно-морских исследований 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, осуществленного CAP за свою 74-летнюю историю. [8]
С 2003 года на разработку и развертывание было потрачено почти 5 миллионов долларов США, разрешенных в соответствии с Законом об оборонных ассигнованиях 2002 года . [5] По состоянию на январь 2007 г.[Обновить], 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 операциях и не считает, что она первой обнаружила какие-либо обломки. [9] В ходе поисков в Джорджии и Мэриленде в 2007 году ARCHER обнаружил обломки самолета, но, по словам полковника Дрю Алекса, директора по передовым технологиям и менеджера программы ARCHER в CAP, никто не выжил. [1] В сентябре 2007 года в поисках авантюриста Стива Фоссета был использован самолет с ARCHER из крыла гражданского воздушного патруля штата Юта . [3] [10] ARCHER не нашел мистера Фоссета, но сыграл важную роль в обнаружении восьми ранее. неизведанные места крушения в высокой пустынной местности в штате Невада , [11] [12] несколько десятилетий назад. [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 предметы в растительности, такие как металл или что-то из обломков самолета». [1] Майор Синтия Райан из Гражданского воздушного патруля штата Невада , также описывая систему для прессы в 2007 году, заявила: «ARCHER - это, по сути, то, что используется геонауками. Это довольно сложная штука… за пределами того, что обычно видит человеческий глаз, « [15] она подробно далее,» это может увидеть валуны, он может видеть деревья, он может увидеть горы, полынь, что угодно, но он идет „не то, что“ или „да, что“. удивительная часть этого является то , может видеть всего 10 процентов цели и оттуда экстраполировать ». [16]
В дополнение к основной поисково-спасательной миссии, CAP проверила дополнительные возможности использования ARCHER. [17] Например, система CAP GA8, оснащенная ARCHER, использовалась в пилотном проекте в штате Миссури в августе 2005 г. для оценки пригодности системы для отслеживания выбросов опасных материалов в окружающую среду [18], а одна была развернута для отслеживания разливов нефти в последствия урагана «Рита» в Техасе в сентябре 2005 г. [19]
С тех пор, в случае полета из Миссури, система ARCHER доказала свою полезность в октябре 2006 года, когда она 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 по неровной лесистой местности. В июле 2007 года система ARCHER определила разлив нефти, возникший в результате наводнения на нефтеперерабатывающем заводе в Канзасе, который простирался вниз по течению и вторгся в ранее неожиданные области резервуаров. [21] Агентства-клиенты (EPA, береговая охрана и другие федеральные агентства и агентства штата) обнаружили, что данные необходимы для быстрого исправления ситуации. В сентябре 2008 года гражданский воздушный патруль GA-8 из Техасского крыла искал пропавший самолет из Арканзаса. Он был обнаружен в Оклахоме и идентифицирован одновременно наземными поисковиками и пролетающей системой ARCHER. Это была не прямая находка, а подтверждение точности и эффективности системы. При последующем обнаружении было обнаружено, что ARCHER построил область обломков с большой точностью. [ необходима цитата ]
Техническое описание
Основные компоненты подсистемы ARCHER включают: [6]
- усовершенствованная система гиперспектральной визуализации (HSI) с разрешением один квадратный метр на пиксель.
- панхроматическая камера с высоким разрешением (HRI) с разрешением 8 см x 8 см (3 дюйма x 3 дюйма) на пиксель.
- глобальная система позиционирования (GPS), интегрированная с инерциальной навигационной системой (INS)
Гиперспектральный формирователь изображений
Пассивная Гиперспектрального изображающей спектроскопии дистанционный датчик наблюдает цель в мульти- спектральных 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 полосах, вычислительные алгоритмы используют только первые 40 полос, от 500 до 960 нм, потому что полосы выше 960 нм слишком зашумлены, чтобы быть полезными. [23] Для сравнения, нормальный человеческий глаз будет реагировать на волны длиной примерно от 400 до 700 нм , [24] и является трехцветным , что означает, что клетки конуса глаза воспринимают свет только в трех спектральных диапазонах.
Когда самолет ARCHER пролетает над зоной поиска, отраженный солнечный свет улавливается объективом камеры HSI. Собранный свет проходит через набор линз, которые фокусируют свет и формируют изображение земли. Система визуализации использует подход к получению изображения с помощью выталкивателя. При подходе с нажимной щеткой фокусирующая щель уменьшает высоту изображения до эквивалента одного вертикального пикселя, создавая изображение с горизонтальными линиями.
Затем изображение с горизонтальной линией проецируется на дифракционную решетку, которая представляет собой очень тонко вытравленную отражающую поверхность, которая рассеивает свет по своим спектрам. Дифракционная решетка специально сконструирована и расположена для создания двумерного (2D) спектрального изображения из горизонтального линейного изображения. Спектры проецируются вертикально, т. Е. Перпендикулярно линейному изображению, благодаря конструкции и расположению дифракционной решетки. [ необходима цитата ]
Двухмерное изображение спектра проецируется на датчик двумерного изображения устройства с зарядовой связью (ПЗС), который выравнивается так, чтобы горизонтальные пиксели были 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 неперекрывающиеся интервалы. Выходной сигнал ПЗС состоит из электрических сигналов для 52 спектральных полос для каждого из 504 пикселей изображения по горизонтали. [ необходима цитата ]
Бортовой компьютер записывает выходной сигнал ПЗС с частотой 60 кадров в секунду. На высоте самолета 2500 футов над уровнем земли и скорости 100 узлов частота кадров 60 Гц соответствует разрешению наземного изображения примерно в один квадратный метр на пиксель. Таким образом, каждый кадр, захваченный с ПЗС-матрицы, содержит спектральные данные для полосы обзора земли примерно один метр в длину и 500 метров в ширину. [23]
Имидж-сканер высокого разрешения
Черно-белая или панхроматическая камера с высоким разрешением (HRI) устанавливается рядом с камерой HSI, чтобы обе камеры могли улавливать один и тот же отраженный свет. В камере HRI используется метод «нажимной щетки», как и в камере HSI с аналогичным объективом и расположением щелей, чтобы 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, она называется камерой с линейной разверткой. ПЗС-матрица HRI имеет ширину 6 144 пикселя и высоту 1 пиксель. Он работает с частотой кадров 720 Гц. При скорости поиска ARCHER и высоте (100 узлов над землей на высоте 2500 футов над уровнем моря) каждый пиксель на черно-белом изображении представляет собой участок земли размером 3 на 3 дюйма. Это высокое разрешение добавляет возможность идентифицировать некоторые объекты. [23]
Обработка
Монитор в кабине отображает подробные изображения в реальном времени, и система также регистрирует изображение и данные глобальной системы позиционирования со скоростью 30 гигабайт (ГБ) в час для последующего анализа. [1] Бортовая система обработки данных выполняет множество функций обработки в режиме реального времени, включая сбор и запись данных, коррекцию необработанных данных, обнаружение целей, метки и чипы, точную географическую регистрацию изображений , а также отображение и распространение продуктов изображений и меток цели. Информация. [25]
У ARCHER есть три метода обнаружения целей:
- согласование сигнатур, при котором отраженный свет согласовывается со спектральными сигнатурами
- обнаружение аномалий с использованием статистической модели пикселей в изображении для определения вероятности того, что пиксель не соответствует профилю, [26] и
- обнаружение изменений, которое выполняет попиксельное сравнение текущего изображения с условиями земли, которые были получены в предыдущей миссии в той же области.
При обнаружении изменений идентифицируются изменения сцены, а новые, перемещенные или удаленные цели выделяются для оценки. [2] При согласовании спектральной сигнатуры система может быть запрограммирована с параметрами пропавшего самолета, такими как цвета окраски, для предупреждения операторов о возможных обломках. [3] Его также можно использовать для поиска определенных материалов, таких как нефтепродукты или другие химические вещества, выбрасываемые в окружающую среду [18], или даже обычных предметов, таких как общедоступные синие полиэтиленовые брезенты . В роли оценки воздействия информация о местоположении синих брезентов, используемых для временного ремонта зданий, поврежденных ураганом, может помочь направить усилия по оказанию помощи при стихийных бедствиях; в роли борьбы с наркотиками синий брезент, расположенный в отдаленном районе, может быть связан с незаконной деятельностью. [27]
Рекомендации
- ^ a b c d Фрисс, Стив (2007-09-07). «Камера наблюдения ARCHER поднимается в небо в поисках Стива Фоссета» . Проводные новости . CondéNet, Inc. Архивировано 20 февраля 2010 года .
ARCHER… способен делать панхроматические аэрофотоснимки гораздо более детализированные, чем может собрать обычный вид или обычная фотография.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ а б в «Справочник авиационной поддержки AFNORTH (AFD-070808-022)» (PDF) . Справочник по оборонной поддержке гражданских властей (DSCA) . ВВС США . 2007-08-01. п. 51. Архивировано из оригинального (PDF) 29 мая 2008 года.
Самая сложная из доступных неклассифицированных систем визуализации HyperSpectral.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ а б в Фиорино, Фрэнсис (сентябрь 2007 г.). "Усовершенствованная система разведки помогает поиску Фоссетта" . Авиационная неделя . Макгроу-Хилл. Архивировано 27 сентября 2007 года . Проверено 8 сентября 2007 .
Согласно CAP, набор параметров, описывающих намеченную цель, включая ее цвет и форму, программируется в системе ARCHER.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ Гудлин, подполковник Дуглас (2007-08-03). «Инструкция 10-2701 Гражданский воздушный патруль» (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 28 августа 2008 года.
HSI - также называется «АРЧЕР». HSI - это пассивная сенсорная система, которая наблюдает за целью в мультиспектральных диапазонах.
Цитировать журнал требует|journal=
( помощь )CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ а б в Алекса, полковник Дрю (август 2005 г.). «Информационный бюллетень: система гражданского воздушного патрулирования ARCHER» (PDF) . Гражданский воздушный патруль . Архивировано из оригинального (PDF) августа 2007 года . Проверено 8 сентября 2007 .
HSI - это неинвазивная дневная технология, которая работает путем анализа отраженного от объекта света.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ а б Алекса, полковник Дрю (август 2005 г.). «Информационный бюллетень: система гражданского воздушного патруля ARCHER: технические характеристики» (PDF) . Гражданский воздушный патруль . Архивировано из оригинального (PDF) августа 2007 года . Проверено 8 сентября 2007 .
ARCHER содержит усовершенствованную систему гиперспектральной визуализации (HSI) и камеру панхроматической визуализации высокого разрешения (HRI).
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ а б Стивенсон, Б .; О'Коннор, Р.; Kendall, W .; Stocker, A .; Schaff, W .; Alexa, D .; Salvador, J .; Eismann, M .; Barnard, K .; Кершенштейн, Дж. (2005). Шен, Сильвия С .; Льюис, Пол Э. (ред.). «Конструкция и характеристики системы гиперспектральной обработки гражданского воздушного патруля ARCHER». Алгоритмы и технологии получения мультиспектральных, гиперспектральных и ультраспектральных изображений XI, Труды SPIE . Алгоритмы и технологии получения мультиспектральных, гиперспектральных и ультраспектральных изображений XI. 5806 : 731–742. Bibcode : 2005SPIE.5806..731S . DOI : 10.1117 / 12.604471 .
Каждая система ARCHER состоит из разработанного NovaSol датчика гиперспектрального изображения (HSI) в видимом / ближнем инфракрасном диапазоне (VNIR), датчика визуализации панхроматического изображения высокого разрешения (HRI) в видимом / ближнем инфракрасном диапазоне (VNIR), датчика изображения высокого разрешения (HRI) и датчика CMIGITS-III GPS / INS. блок во встроенном сенсорном блоке, установленном внутри кабины GA-8. ARCHER включает в себя бортовую систему обработки данных, разработанную Space Computer Corporation (SCC), для выполнения множества функций обработки в реальном времени, включая сбор и запись данных, коррекцию необработанных данных, обнаружение целей, метки и чипирование, точную гео-регистрацию изображений и отображение. и распространение имиджевой продукции и целевой информации.
- ^ Карточка, Линда. «Когда информация улетает, воображение AFDW взлетает» . Округ ВВС США в Вашингтоне. Архивировано из оригинала на 2011-07-18 . Проверено 31 октября 2007 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Баттон, Рик; Правосудие, RDML Уэйн (18 января 2007 г.). «Очередная сессия 1-07» . Протокол встречи . Национальный поисково-спасательный комитет. п. 4. Архивировано из оригинального (MS Word) 18.07.2011 . Проверено 8 сентября 2007 .
Д-р Пол Шуда (CAP) сообщил, что Гражданский воздушный патруль завершил первоначальное развертывание шестнадцати бортовых гиперспектральных усиленных разведывательных аппаратов в реальном времени.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ Фрисс, Стив (2007-09-07). «Друзья называют пропавшего авиатора находчивым» . Нью-Йорк Таймс . Проверено 8 сентября 2007 .
… Самолет из крыла гражданского воздушного патруля штата Юта прибыл в среду с оборудованием, способным собирать гиперспектральные и панхроматические изображения…
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ Фрисс, Стив (11 сентября 2007 г.). «FAA призывает пилотов использовать цифровой передатчик» . Нью-Йорк Таймс .
Хотя «Лучник» не нашел мистера Фоссета, он сыграл важную роль в обнаружении по крайней мере восьми ранее незамеченных обломков самолетов в суровом регионе Сьерра-Невада.
- ^ «Поисковики разочарованы поиском Фоссетта» . USA Today . Ассошиэйтед Пресс. 2007-09-10 . Проверено 14 сентября 2007 .
... поисковые группы обнаружили обломки восьми других самолетов, которые были потеряны в течение многих лет в и вокруг скалистых гор западной Невады.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ Райли, Брендан (8 сентября 2007 г.). «Обширная пустынная местность мешает поиску Фоссета» . Монтерей Геральд . Архивировано из оригинального 11 сентября 2007 года . Проверено 10 сентября 2007 года .
... еще один сбитый самолет в пятницу, который был замечен на склоне холма примерно в 45 милях к юго-востоку от Рино ... авиакатастрофа оказалась старой, последний раз самолет был зарегистрирован в Орегоне в 1975 году
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ Лапидос, Джульетта (2007-09-11). «Могила неизвестного самолета: что случилось со всеми неизведанными обломками самолетов, которые мы находим вокруг Сьерра-Невады?» . Журнал Slate . Архивировано 20 сентября 2007 года.
… До появления высокотехнологичных поисковых устройств, таких как система визуализации ARCHER, которая может идентифицировать цели размером с мотоцикл с расстояния 2500 футов. Одно из мест крушения, обнаруженное командой Фоссетта, могло датироваться 1964 годом ...
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ Вуллард, Роб (2007-09-05). «Высокотехнологичный самолет, используемый в охоте на авантюриста Фоссета» . Агентство Франс-Пресс (AFP) . Yahoo! Новости . Архивировано из оригинала на 2007-09-21.
«ARCHER - это, по сути, то, что используется науками о Земле», - сказал Райан. «Это довольно сложные вещи… за пределами того, что обычно видит человеческий глаз».
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ «Высокотехнологичный самолет ищет Фоссета» . NEWS.com.au . News Limited. 2007-08-06 . Проверено 8 сентября 2007 .
«Он может видеть валуны, он может видеть деревья, он может видеть горы, полынь, что угодно, но это говорит« не то »или« да, это », - сказала она.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )[ мертвая ссылка ] - ^ "Система ARCHER HSI" . Космическая компьютерная корпорация. Архивировано из оригинала на 2008-06-01.
CAP нашла много дополнительных применений для ARCHER, в том числе в миссиях по обеспечению внутренней безопасности, оценке стихийных бедствий и борьбе с наркотиками.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ а б «Пилотный проект EPA / MoDNR - определение загрязнения окружающей среды с помощью гиперспектральных изображений с воздуха» . Департамент природных ресурсов Миссури. Архивировано 21 августа 2007 года.
Департамент природных ресурсов штата Миссури ... реализует пилотный проект по оценке экологических применений ARCHER ...
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ «Гражданский воздушный патруль отвечает» . ВВС США . 2005-09-26 . Проверено 20 июня 2014 .
Самолет Gippsland Aeronautics GA-8 «Airvan»… прибыл в аэропорт Западного Хьюстона, чтобы поддержать оценку урагана «Рита».
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ «3 тела найдены после авиакатастрофы в Оклахоме; четвертая жертва по-прежнему пропала без вести (FOX News)» . Архивировано из оригинала на 2007-12-22 . Проверено 24 сентября 2009 .
- ^ Годовой отчет гражданского воздушного патруля Конгрессу за 2007 год
- ^ «Технология HSI - Глоссарий» . Технология гиперспектральной визуализации для неспециалистов . Гражданский воздушный патруль . Архивировано из оригинала на 2011-07-22 . Проверено 29 октября 2007 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ а б в «Технология HSI - изображения HSI и HRI» . Гражданский воздушный патруль . Архивировано из оригинала на 2011-07-22 . Проверено 31 октября 2007 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Фройденрих, Крейг. «Как работает свет» . Как работает материал . Архивировано 27 октября 2007 года . Проверено 29 октября 2007 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
- ^ Стивенсон, Б .; О'Коннор, Р.; Kendall, W .; Stocker, A .; Schaff, W .; Alexa, D .; Salvador, J .; Eismann, M .; Barnard, K .; Кершенштейн, Дж. (2005). Шен, Сильвия С .; Льюис, Пол Э. (ред.). «Конструкция и характеристики системы гиперспектральной обработки гражданского воздушного патруля ARCHER». Труды SPIE . Алгоритмы и технологии получения мультиспектральных, гиперспектральных и ультраспектральных изображений XI. 5806 : 731. Bibcode : 2005SPIE.5806..731S . DOI : 10.1117 / 12.604471 .
ARCHER включает в себя бортовую систему обработки данных, разработанную Space Computer Corporation (SCC), для выполнения множества функций обработки в реальном времени…
- ^ «Группа передовых технологий CAP: гиперспектральная визуализация» . Гражданский воздушный патруль, Национальный штаб. Архивировано из оригинала на 2007-08-14.
… Сопоставление сигнатур (сопоставление отраженного света со спектральными сигнатурами), обнаружение аномалий (вычисляет статистическую модель всех пикселей в изображении, чтобы увидеть, есть ли вероятность того, что пиксель не подходит).
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка ) - ^ «Инструменты анализа и визуализации данных HSI в реальном времени SCC» . Космическая компьютерная корпорация. Архивировано из оригинала на 2008-03-22 . Проверено 9 сентября 2007 .
Брезент в отдаленной лесистой местности - полезен для применения против наркотиков.
CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
Внешние ссылки
- NovaSol Corp
- Космическая компьютерная корпорация