Jakub Sobek

Rozwój w obszarze kamer będzie kontynuowany zgodnie z trendem obserwowanym na rynku już od kilku lat. Generowany obraz będzie miał coraz lepszą jakość i wyższą rozdzielczość, a ceny kamer zaczną sukcesywnie spadać. Kamera termowizyjna stanie się przy tym naturalnym elementem wyposażenia drona.

Na numer alarmowy przychodzi połączenie. Dyspozytorka słyszy w słuchawce roztrzęsiony głos kobiety:
– Chciałam zgłosić zaginięcie córki. Musicie ją odnaleźć. Ona na pewno jest przerażona!
– Proszę spokojnie powiedzieć, kiedy nastąpiło zaginięcie dziecka i gdzie może się obecnie znajdować? Im więcej poda pani szczegółów, tym bardziej ułatwi nam pani pracę.
– Córka oddaliła się od domu około godziny temu. Wyszła w kierunku lasu i pewnie tam zabłądziła.

Po ustaleniu wszystkich szczegółów została podjęta decyzja o rozpoczęciu akcji poszukiwawczej. Na zewnątrz temperatura dochodziła do -8°C, a wkrótce miał zapaść zmrok. Z opisu wynikało, że dziecko miało na sobie kurtkę, jednak nie był to strój przystosowany do długiego przebywania na mrozie. W takiej sytuacji każda minuta była na wagę złota. Dziecko z powodu wychłodzenia organizmu mogło bowiem zapaść w hipotermię zagrażającą życiu.

Po krótkiej odprawie ze strażakami i policją rozpoczęły się poszukiwania. Zastosowano standardowe środki: przeszukiwania wytypowanego wcześniej terenu w szyku tyraliery oraz wykorzystanie przewodników z psami tropiącymi. Dowódca zlecił też użycie drona z kamerą termowizyjną do patrolowania większego obszaru z powietrza. Po godz. 18.00 poinformował, że niebawem zapadnie zmrok, a wtedy poszukiwania staną się jeszcze trudniejsze. Temperatura spadła do -15°C. W pewnej chwili operator drona zauważył pod drzewem nietypowy obiekt. Zbliżył się niego i obniżył pułap lotu – okazało się, że była to poszukiwana dziewczynka. Słysząc nadlatujący dron, zaczęła machać w jego kierunku, co upewniło operatora. Odczytano bieżącą pozycję GPS drona i drogą radiową przekazano ją do wszystkich uczestników poszukiwań. Operator zauważył na obrazie z kamery zamarznięte jezioro w pobliżu drzew i ostrzegł, aby poruszać się po tym terenie ze szczególną ostrożnością. Wszystko zakończyło się happy endem. Tym razem udało się dotrzeć na czas.

Dodatkowe oko
W przypadku takiej akcji poszukiwawczej kamera termowizyjna umieszczona na dronie okazała się nieoceniona. Pozwoliła na wytypowanie celu, jego weryfikację i dokładną lokalizację. To jedno z takich rozwiązań, jakie w ostatnich latach staje się coraz bardziej powszechne.

Czy połączenie kamery pracującej w zakresie podczerwieni ze statkiem bezzałogowym jest najlepszym narzędziem? W jakich jeszcze sytuacjach można je wykorzystać i jakie są ograniczenia takiej technologii?

UAV (Unmanned Aerial Vehicle – bezzałogowy statek powietrzny) wyposażony w kamerę nie jest niczym nowym. Dron może być nośnikiem dowolnego czujnika, począwszy od tradycyjnych sensorów światła widzialnego, przez skanery LIDAR, czujniki skażenia radiologicznego, chemicznego, biologicznego, skończywszy na kamerach termowizyjnych. Umieszczenie na dronie kamery termowizyjnej znacznie rozszerza możliwości jego zastosowania. Jest wiele dostępnych kamer, więc wybór właściwego rozwiązania, które musi być uzależnione od rodzaju prowadzonej misji, nie zawsze jest łatwy.

Trzeba pamiętać, że kamery pracujące w zakresie IR (niewidzialnym dla człowieka) są wyposażone w różnego typu przetworniki obrazu. Najczęściej dzielimy je ze względu na długości fal, które wykorzystują przy tworzeniu obrazu: bliska podczerwień (SWIR) zakres 1–2,5 µm oraz średnia (MWIR) 3–5 µm i daleka podczerwień (LWIR) 7,5–14 µm (termowizja).
Długości fal, w jakich operują kamery SWIR, nie są widoczne dla ludzkiego oka, ale zasada ich działania jest podobna do klasycznych kamer światła widzialnego, które korzystają z odbitego światła emitowanego przez inne źródła (np. słońce). Dlatego na obrazach z kamer SWIR i w wyniku odbić światła można zaobserwować cienie i lokalne różnice w kontraście. Są to przeważnie czarno-białe wysokiej rozdzielczości. Detektory SWIR są zbudowane w technologii InGaAs (arsenek galu indu). Obecnie najczęściej stosuje się je w obszarach wojskowych, ponieważ są alternatywą dla kamer noktowizyjnych i oferują wysoką rozdzielczość. Dodatkowo pozwalają zauważyć np. światło lasera o długości fal 1550 nm.

Detektory pracujące w zakresie MWIR i LWIR wykorzystują promieniowanie IR emitowane przez wszystkie występujące w przyrodzie obiekty. Mogą widzieć w zupełnej ciemności, w przypadku zapylenia, zamglenia i zadymienia oraz w czasie opadów. Zasadnicza różnica między tymi dwiema technologiami polega na tym, że kamery MWIR bazują najczęściej na chłodzonych przetwornikach obrazu, a kamery LWIR – na przetwornikach niechłodzonych.

Przetwornik MWIR wykonany w technologii np. InSb jest chłodzony przez aktywny układ mechaniczny wykorzystujący hel. Chłodzenie przetwornika do ujemnej temperatury jest wymagane w celu zmniejszenia poziomu szumów indukowanych cieplnie na przetworniku poniżej poziomu sygnałów pochodzących z obrazowanych obiektów. Ten precyzyjny układ mechaniczny zużywa się wraz z upływem czasu, a gaz ulatnia się z niego mimo dokładnego uszczelnienia. Z tego powodu w zależności od konkretnego rodzaju przetwornika wymaga on serwisowania co 10–13 tys. godz. pracy, polegającego na wymianie chłodziwa. Przetworniki MWIR są droższe od przetworników LWIR, a trzeba też uwzględnić koszty obsługi serwisowej.

W związku z tym nasuwają się pytania, czy stosowanie chłodzonych przetworników ma sens i w jakich przypadkach warto z nich korzystać. Technologia ta ma wiele zalet, a jakość obrazu jest na najwyższym poziomie. Jeśli dla użytkownika kamery termowizyjnej jest ważna wysoka czułość termiczna, to taka kamera jest świetnym rozwiązaniem. Kamery MWIR ponadto pozwalają na precyzyjny pomiar temperatury szybko poruszających się obiektów, nawet niewielkich, a także badanie rozkładów temperatury w specyficznych zakresach sygnału. W przypadku latających statków bezzałogowych o masie startowej do 25 kg stosowanie technologii MWIR należy raczej do rzadkości. Przy obecnych kosztach jest ona zarezerwowana głównie do profesjonalnych zastosowań, gdzie cel misji jest bardzo wymagający. Dron wyposażony w taką kamerę może prowadzić obserwację na dalekich dystansach, dzięki temu możliwe jest wykonywanie zwiadu powietrznego przy bardzo wysokim pułapie lotu.

Najbardziej popularne obecnie są kamery termowizyjne pracujące w zakresie LWIR. Przetworniki te są oparte na matrycy typu FPA (Focal Plane Array). W ostatnich latach zanotowano ogromny rozwój kamer pracujących w tej technologii. Znaczącą rolę odegrała szczególnie dostępność nowych materiałów do ich produkcji. Wyraźna poprawa w odczytywaniu sygnałów pochodzących z matryc, ulepszenie cyfrowej obróbki tych sygnałów, technologia wytwarzania FPA oraz zmniejszenie ich rozmiarów – wszystko to sprawia, że obecnie na rynku są dostępne miniaturowe kamery o rozdzielczościach zaczynających się od 80 x 60 pikseli. Można też kupić kamery, które mają kilkanaście megapikseli. Przetworniki o takiej rozdzielczości są obecnie wykorzystywane w najbardziej zaawansowanych aparaturach badawczych, stosowanych w astronomii, m.in. w teleskopie Hubble’a czy teleskopie Jamesa Webba, który zastąpi teleskop Hubble’a na początku 2019 r. W teleskopie Webba przetwornik będzie prowadzić obserwacje w zakresie aż do 28 µm, co pozwoli na obrazowanie odległych galaktyk, tworzących się w kosmosie gwiazd, komet o słabym świetle czy obiektów w pasie Kuipera. Nowy teleskop już wkrótce pokaże kosmos w „nowej odsłonie” właśnie dzięki termowizji.

Przetworniki LWIR są najczęściej wykonywane z dwóch różnych materiałów półprzewodnikowych. Na rynku są dostępne przetworniki zbudowane z amorficznego krzemu A-Si oraz z tlenku wanadu VOx. Wiele kamer termowizyjnych instalowanych na zewnątrz pomieszczeń jest narażonych na bezpośrednie działanie promieni słonecznych. Kamery wykonane w technologii VOx są odporne na degradację obrazu spowodowaną długą, bezpośrednią obserwacją słońca. Z kolei przetworniki A-Si doświadczają znaczącej degradacji obrazu i mogą na nich powstawać trwałe uszkodzenia spowodowane wystawieniem na działanie promieni słonecznych.

W przetworniku można ponadto zastosować kolejne mechanizmy ochronne. W czujniku VOx umieszcza się rezystory, które pochłaniając promieniowanie IR, zmieniają swoją rezystancję. Dzięki procesom zachodzącym wewnątrz detektora energia pochodząca z promieniowania słonecznego jest rozpraszana, aby nie powodowała nieodwracalnego uszkodzenia rezystorów. W kamerze umieszcza się także tzw. shutter, czyli mechaniczny układ pozwalający na kalibrację kamery metodą FFC (Flat Field Calibration). Kalibracja występująca w kamerze co pewien czas zapewnia wyczyszczenie z obrazu tzw. powidoków widzianych na obrazie, spowodowanych obserwacją w świetle słonecznym. Wszystko to dzieje się w ułamku sekundy. W przetwornikach A-Si czasem potrzeba natomiast kilkudziesięciu minut lub godzin, aby rozproszyć powstały na obrazie efekt.

Ze względu na to, że kamery LWIR są praktycznie bezobsługowe i nie wymagają okresowego serwisowania, są stosowane w wielu obszarach, m.in. ręcznych kamerach pomiarowych wykorzystywanych w badaniach termograficznych, kamerach dozorowych w zastosowaniach security, a także kamerach coraz częściej stosowanych w dronach.

Termowizja w misji powietrznej
Ze względu na koszty i dostępność technologiczną w misjach powietrznych będą używane kamery LWIR. Drony obecnie znajdują zastosowanie w wielu obszarach. Korzystają z nich zarówno amatorzy, jak i profesjonaliści. Często od skuteczności odpowiednio dobranej technologii może zależećludzkie życie. Termowizja może być przydatna w różnego rodzaju zadaniach. Jednym z najczęstszych zastosowań dronów i termowizji są loty inspekcyjne, których zadaniem jest zobrazowanie anomalii temperaturowych na badanym obszarze. Często można np. zauważyć uszkodzone lub przegrzewające się elementy na działającym panelu fotowoltaicznym. W takiej sytuacji dron pozwala na przeprowadzanie inspekcji dużego obszaru, np. farmy solarnej czy kominów przemysłowych, w krótkim czasie, znacząco usprawniając dotychczasowe metody kontroli. Zadania, które do tej pory były niebezpieczne i uciążliwe dla człowieka, mogą być wykonane szybciej, dokładniej, a co najważniejsze bez ponoszenia zbędnego ryzyka.

W przytoczonej na początku historii kamera termowizyjna znalazła zastosowanie w misji poszukiwawczo-ratunkowej. Aby w takich działaniach była skutecznie wykorzystywana, trzeba mieć pełną świadomość zarówno jej możliwości, jak i ograniczeń. Wielu ludziom wydaje się, że promieniowanie termiczne przenika przez pewne powierzchnie. Ten brak wiedzy często sprawia, że możliwości tych kamer są źle oceniane. Trzeba wiedzieć, kiedy i gdzie kamera termowizyjna będzie pomocna. Kiedy poszukiwane są osoby zaginione lub zwłoki, z upływem czasu temperatura ciała będzie się obniżała, zmniejszy się kontrast termiczny z otoczeniem i zasadność wykorzystania termowizji. W przypadku poszukiwań osób po zejściu lawiny śnieżnej technologia ta napotyka pewne ograniczenia. Nie ma bowiem możliwości, aby zauważyć osobę, która leży pod grubą warstwą śniegu, ponieważ obraz z kamery odwzorowuje temperaturę powierzchni śniegu. Aby pojawiła się szansa zlokalizowania takiej osoby, nad powierzchnią śniegu musi wystawać przynajmniej fragment ciała lub poprzez szczeliny w śniegu musi wydostawać się np. znacznie cieplejsze wydychane powietrze. Jeśli te warunki nie zostaną spełnione, termowizja nie będzie pomocna. Podobne ograniczenia występują, gdy np. w celu znalezienia zwłok przeszukiwane są zbiorniki wodne lub rzeki. Jeśli ciało znajduje się pod wodą, nie ma możliwości jego dostrzeżenia, gdyż zawsze na obrazie będzie widoczna jedynie temperatura powierzchni wody.

Połączenie drona z kamerą termowizyjną przyniesie najlepsze efekty, gdy poszukiwania będą prowadzone na łąkach, polach, w lesie, na obszarach górzystych czy pustyniach. Jedyne ograniczenia wyraźnego zauważenia obiektu pojawiają się, gdy osoba przebywa w gęstym lesie, kamera termowizyjna nie widzi bowiem tego, co znajduje się pod grubą warstwą liści na drzewach.

Nie bez znaczenia pozostaje skład załogi obsługującej drona podczas misji poszukiwawczej. Akcja jest najskuteczniejsza, gdy grupa składa się z czterech osób: operatora drona, operatora kamery, mechanika oraz dowódcy załogi koordynującego wszystkie działania oraz pozostającego w bezpośrednim kontakcie z koordynatorem całej akcji poszukiwawczej lub ratowniczej.
Szczególnie istotnym czynnikiem decydującym o sukcesie misji jest zapewnienie dobrych warunków pracy operatorowi kamery termowizyjnej. Trudno np. obserwować obraz IR, gdy na monitor świeci słońce, a obraz jest widoczny w niskim kontraście. Operator kamery powinien pracować w namiocie lub pojeździe, aby zewnętrzne oświetlenie nie wpływało na jakość obrazu widocznego na ekranie. Jakość wyświetlacza ma znaczenie także w przypadku, gdy obraz jest wyświetlany np. w skali szarości. Istotne jest właściwe odwzorowanie czerni oraz skali szarości. Operator kamery termowizyjnej powinien odbyć szkolenie. Tylko znajomość zasad fizyki umożliwi zrozumienie możliwości i ograniczeń termowizji oraz pozwoli na poprawne wnioskowanie z obrazów widocznych na ekranie. Przykładowo, kiedy do dyspozycji mamy kamerę o rozdzielczości 640 x 480 pikseli o poziomym kącie widzenia 45° i lecimy dronem na wysokości 60 m, cel wielkości człowieka na ekranie monitora wynosi ok. 50 pikseli. Gdyby kamera miała niższą rozdzielczość 320 x 240 pikseli, to przy tym samym kącie widzenia i wysokości lotu operator na ekranie musiałby zauważyć 17 pikseli. To pokazuje, w jakim skupieniu musi pracować i jak ważne jest jego doświadczenie, aby w trakcie lotu nie pominąć ważnego obiektu.

Co będzie dalej
Kamery termowizyjne w połączeniu z dronami będą wykorzystywane coraz częściej. Rozwój zarówno technologii kamer, jak i dronów będzie kreować nowe zastosowania. W odniesieniu do misji poszukiwawczych jest kilka kierunków, w których jest jeszcze dużo do zrobienia.

Autonomiczne loty pojedynczych dronów i ich rojów, które komunikując się ze sobą, mogą synchronicznie wspólnie przeszukiwać jeszcze większe obszary, znacząco ułatwią prowadzenie akcji poszukiwawczych i skrócą czas potrzebny na przeszukanie terenu. Ponadto rozwój analizy wideo pozwoli w przyszłości na automatyczne typowanie celów poszukiwanych obiektów. Operator drona będzie otrzymywał pojedyncze obrazy pochodzące z dronów w celu dokonania ich wideoweryfikacji.
Wiele dronów ma jeszcze dość restrykcyjne ograniczenia, jeśli chodzi o lot w trudnych warunkach atmosferycznych. To także pewien czynnik, który ogranicza ich wykorzystanie w sytuacji, gdy mogą być najbardziej potrzebne. Pokonanie tej przeszkody sprawi, że będą coraz częściej wykorzystywane, bez względu na warunki atmosferyczne.

Jest jeszcze jeden czynnik, który spędza sen z powiek użytkowników dronu – czas lotu. Mechanik co kilkanaście, kilkadziesiąt minut musi wymieniać baterie, co przerywa lot i zabiera cenny czas.

Literatura: 
http://www.flir.com/science/display/?id=65982; 
http://www.photonics.ucla.edu/host/ieee_photonics_la/documents/James_Beletic_OPN.pdf;
http://www.petriefied.info/AirborneIR.pdf