淺析無人機夜間紅外搜索影響因素

(1.湖北警官學院 湖北 武漢 430000；2.仙桃市公安局 湖北 仙桃 433000； 3.延安市公安局禁毒支隊 陜西 延安 716000)

引言

隨著無人機的應用越來越廣泛，其在警務等非軍用領域的應用已經成為一種發展的必然趨勢。由于無人機有著體積小、航程遠及無人駕駛等特點，其在空中偵查及搜索方面有著了其他設備不可替代的作用。無人機的搜索不僅涉及白天搜索，其在夜間搜索的研究也有了一定的進展。目前主要是利用無人機搭載紅外熱成像鏡頭進行夜間搜索，這種紅外搜索在一定程度上解決了無人機夜間搜索的夜視問題，但是，這種方法搜索檢測目標物的可檢測性以及靈敏度與哪些因素有關以及如何提升無人機紅外夜間搜索的整體性能還有待研究，因此本文就高度與遮擋物這兩個因素對無人機紅外夜間搜索的可檢測性以及靈敏度是否有影響進行了一定的研究，在研究過程中也發現了一些亟待我們研究以及解決的其他問題。

一、無人機及其應用

(一)無人機概念

無人駕駛飛機簡稱“無人機”，英文縮寫為“UAV”，是利用無線電遙控設備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。從技術角度定義可以分為：無人固定翼機、無人垂直起降機、無人飛艇、無人直升機、無人多旋翼飛行器、無人傘翼機等。

(二)無人機的應用

隨著科技的快速發展，無人機性能不斷提升，其應用也越來越廣泛，無人機有著體積小、航程遠及無人駕駛等特點，目前已經開始應用于除軍用領域外的警務、通信、電力、氣象、環保等非軍用領域。根據其特點結合具體的警務工作實際情況，無人機在空中偵察、消防救援、搶險救災、交通管理等警務工作中具有廣泛應用。

二、儀器設備及紅外熱成像原理介紹

(一)儀器設備簡介

當前警務實踐中，夜間搜索選用的設備一般是大疆無人機“悟”Inspire?1RAW搭載禪思TX熱成像鏡頭。

“悟”Inspire?1?RAW由飛行器，遙控器，云臺相機以及配套使用DJI?GO?App?組成。飛控系統集成于飛行器機身內，一體式云臺相機與飛行器機頭部分連接，用戶可通過安裝于移動設備上的DJI?GO?App?控制云臺以及相機。高清圖傳整合于機身內部，最大室外傳輸距離達到5千米，可用于高清圖像傳輸。

禪思TX熱成像鏡頭的產品名稱為Zenmuse XT，其熱成像器為非制冷氧化釩(VOx)微測熱輻射計。Zenmuse XT具有觀察目標物溫度微小變化的能力，可用于探測是否有人或動物、判明建筑物是否存在潛在問題以及遠程監視機械和電氣設備的健康狀況，這些對肉眼來說通常是難以辦到的。

(二)紅外熱成像原理

物體表面溫度如果超過絕對零度即會輻射出電磁波，隨著溫度變化，電磁波的輻射強度與波長分布特性也隨之改變，波長介于0.75μm到1000μm間的電磁波稱為“紅外線”。在自然界中，一切物體都可以輻射紅外線。

紅外熱成像系統主要是利用紅外探測器、光學成像物鏡和光機掃描系統接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元上，在光學系統和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構(焦平面熱像儀無此機構)對被測物體的紅外熱像儀進行掃描，并聚焦在單元或分光探測器上，由探測器將紅外輻射能轉換電信號，經放大處理、轉換為標準視頻信號通過顯示屏顯示紅外熱像圖，這種熱紅外線形成的圖像也稱為熱圖。這種熱成像系統，在全黑和白天觀察目標是完全一樣的，不受光線的影響，因此可以較好地解決夜視問題。

三、無人機夜間紅外搜索影響因素研究

一般來說，探究無人機夜間紅外搜索影響因素主要是探究無人機搭載紅外熱成像鏡頭對目標物的可檢測性以及檢測靈敏度問題，本文中筆者主要是針對高度及遮擋物這兩個比較直接且直觀的因素對無人機夜間紅外搜索的影響進行了一定的研究。

(一)高度對無人機夜間紅外搜索的影響研究

筆者于4月份在空曠的足球場上就無人機搭載紅外熱成像鏡頭對目標物的檢測性能是否受高度影響進行了實驗研究。由于在警務實踐中，所要檢測搜索的目標物一般是活體，因此本次實驗檢測的目標物也是活體，本次研究均選用正常人為待檢測目標。同時，為了保證變量的單一性，本次實驗中將攝像頭調整到垂直目標物，盡量保證無人機沿直線垂直上升，保持目標物始終在無人機的正下方；保證目標物的同一性；保證環境開闊、空曠、無任何遮擋物。

本次實驗在夜間室外溫度10度的條件下分別就高度10米、20米、50米、100米行了實驗，其畫面顯示模式為黑熱模式。

實驗結果顯示：當無人機距離地面高度為10米時(如圖1)，目標物黑熱化明顯，且可以清晰辨認人形。

圖1 高度10米時熱圖

當無人機距離地面高度為20米時(如圖2)，目標物會變小，此時目標物黑熱化依然明顯，但已無法辨別是否為人形。

圖2 高度20米時熱圖

當無人機距離地面高度為50米時(如圖3)，目標物會持續變小，甚至是直接成為黑點，此時目標物黑熱化依然明顯，從圖中可以直觀得看出，50米相對于20米來說，其顏色深度基本一致，也就說明其黑熱化程度基本一致。

圖3 高度50米時熱圖

當無人機距離地面高度為100米時(如圖4)，目標物會持續變小，此時目標物黑熱化依然明顯，從圖中可以直觀得看出，100米相對于50米來說，其黑點的大小會變小，但是其顏色深度依然基本保持一致，也就說明當無人高度在50米與100米時其檢測到目標物的黑熱化程度基本一致。

圖4 高度100米時熱圖

從實驗結果來看可以就高度得出以下結論：一是當無人機在高度10米時仍能辨認人形，當高度達到20米時基本無法通過肉眼辨認人形；二是從10米直至100米，其目標物的大小雖然在逐漸變小，但顏色深度基本一致，也就是說無人機檢測到的目標物的黑熱化程度不隨高度的變化而發生變化，這也表明無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標的可檢測性以及靈敏度與無人機的高度無關。

(二)遮擋物對無人機夜間紅外搜索的影響

既然無人機可以在夜間無光照的情況下進行搜索，那么其筆者就其是否可以穿過遮擋物檢測到目標物這個問題也在湖北警官學院內部進行了相應的實驗，筆者選擇了兩類遮擋物，一是樹葉，二是透氣性較好的一層薄針織物。所選擇的的待檢測目標物為活體。

1.利用無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測樹葉遮擋下目標物

由于無人機搜索主要是用于野外山區的搜索，其遮擋物主要是樹葉，因此此次實驗主要重點選取了樹葉為實驗遮擋物。為了保證變量的單一性，本次實驗中將攝像頭調整到垂直目標物，保持目標物始終在無人機的正下方；保證無人機高度的一致性(10米)；保證目標物的同一性；保證所檢測地環境的一致性(選取同一地點的兩顆茂密程度不同的樹木作為實驗對象)。

本次本次實驗在夜間室外溫度10度的條件下分別在較稀疏的樹葉和較茂密的樹葉下進行了無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標物實驗，由于樹葉間有空隙顯示為白點，因此此時選取圖像的顯示模式為彩虹。

實驗結果顯示：當無人機待在紅外熱成像鏡頭對較稀疏的樹葉下的目標物進行檢測時，目標物不停在遮擋物下移動，若目標物完全被遮擋物遮住，那么圖像中就檢測不到被檢測目標物；若目標物恰好移動到樹葉間隙，那么接收圖像中就能檢測到被測目標物(如圖5)圖像中白色顯示即為目標物。

圖5 較稀疏樹葉下熱圖

當無人機待在紅外熱成像鏡頭對較茂密的樹葉下的目標物進行檢測時，此時無論目標物如何移動，都檢測不到目標物(如圖6)

圖6 較茂密樹葉下熱圖

從實驗結果可以得出:當遮擋物為樹葉時，無人機搭載紅外熱成像鏡頭是不能透過樹葉檢測到目標物的，與樹葉的茂密程度無關。

2.利用無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測針織物遮擋下目標物

為了研究無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標是否具有可穿透性，我們首先選用了透氣性較好的厚度約為5mm的針織物作為遮擋物，待檢測目標物將遮擋物高舉至頭頂至不與人體接觸，在夜間室外溫度10度的條件下分別從100米-100米對針織物下的目標活體檢測，發現即使是在10米的高度，無人機都無法透過遮擋物檢測到目標活體(如圖7)。

圖7 針織物遮擋下熱圖(未完全遮擋)

同時，我們也對玻璃及墻壁下的待檢測目標利用無人機搭載紅外熱成像鏡頭進行檢測，發現均無法檢測到活體目標。

通過分析上述四種不同遮擋物檢測實驗的實驗結果，我們可以得出以下結論：遮擋物對無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標物的可檢測性及靈敏度有較大影響。

四、結論

綜合上述實驗結果，針對無人機搭載紅外熱成像鏡頭進行活體搜索的可檢測性以及檢測靈敏度的研究，可以得到以下結論：一是高度對于無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標物的可檢測性以及靈敏度無關；二是遮擋物對無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標物的可檢測性及靈敏度有較大影響。

五、亟待解決的問題

在此次實驗中，筆者發現了無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測活體目標時存在以及亟待解決的一些問題，主要有：一是目標物的識別與辨認問題，限制于紅外熱成像鏡頭成像的原理及特點，所接受到的圖像在無人機達到一定高度后無法辨認人形，即無法辨認是人體還是動物。二是地表溫度影響的問題，本次實驗是在室外溫度為10度時進行的，若是在夏天，室外溫度達到40度，類似武漢這種夏天氣溫較高的城市，夜間室外溫度也在35度左右，其地面溫度更是高于35度，這個時候紅外夜間搜索的效果就會大打折扣。無人機空中偵察已經在警務實踐中廣泛應用，但其對目標物的識別與追蹤這個問題一直是我們亟待解決的問題，這也應是無人機夜間紅外搜索進一步加強研究的方向。