浅析无人机夜间红外搜索影响因素

(1.湖北警官学院 湖北 武汉 430000；2.仙桃市公安局 湖北 仙桃 433000； 3.延安市公安局禁毒支队 陕西 延安 716000)

引言

随着无人机的应用越来越广泛，其在警务等非军用领域的应用已经成为一种发展的必然趋势。由于无人机有着体积小、航程远及无人驾驶等特点，其在空中侦查及搜索方面有着了其他设备不可替代的作用。无人机的搜索不仅涉及白天搜索，其在夜间搜索的研究也有了一定的进展。目前主要是利用无人机搭载红外热成像镜头进行夜间搜索，这种红外搜索在一定程度上解决了无人机夜间搜索的夜视问题，但是，这种方法搜索检测目标物的可检测性以及灵敏度与哪些因素有关以及如何提升无人机红外夜间搜索的整体性能还有待研究，因此本文就高度与遮挡物这两个因素对无人机红外夜间搜索的可检测性以及灵敏度是否有影响进行了一定的研究，在研究过程中也发现了一些亟待我们研究以及解决的其他问题。

一、无人机及其应用

(一)无人机概念

无人驾驶飞机简称“无人机”，英文缩写为“UAV”，是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机。从技术角度定义可以分为：无人固定翼机、无人垂直起降机、无人飞艇、无人直升机、无人多旋翼飞行器、无人伞翼机等。

(二)无人机的应用

随着科技的快速发展，无人机性能不断提升，其应用也越来越广泛，无人机有着体积小、航程远及无人驾驶等特点，目前已经开始应用于除军用领域外的警务、通信、电力、气象、环保等非军用领域。根据其特点结合具体的警务工作实际情况，无人机在空中侦察、消防救援、抢险救灾、交通管理等警务工作中具有广泛应用。

二、仪器设备及红外热成像原理介绍

(一)仪器设备简介

当前警务实践中，夜间搜索选用的设备一般是大疆无人机“悟”Inspire?1RAW搭载禅思TX热成像镜头。

“悟”Inspire?1?RAW由飞行器，遥控器，云台相机以及配套使用DJI?GO?App?组成。飞控系统集成于飞行器机身内，一体式云台相机与飞行器机头部分连接，用户可通过安装于移动设备上的DJI?GO?App?控制云台以及相机。高清图传整合于机身内部，最大室外传输距离达到5千米，可用于高清图像传输。

禅思TX热成像镜头的产品名称为Zenmuse XT，其热成像器为非制冷氧化钒(VOx)微测热辐射计。Zenmuse XT具有观察目标物温度微小变化的能力，可用于探测是否有人或动物、判明建筑物是否存在潜在问题以及远程监视机械和电气设备的健康状况，这些对肉眼来说通常是难以办到的。

(二)红外热成像原理

物体表面温度如果超过绝对零度即会辐射出电磁波，随着温度变化，电磁波的辐射强度与波长分布特性也随之改变，波长介于0.75μm到1000μm间的电磁波称为“红外线”。在自然界中，一切物体都可以辐射红外线。

红外热成像系统主要是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构(焦平面热像仪无此机构)对被测物体的红外热像仪进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换电信号，经放大处理、转换为标准视频信号通过显示屏显示红外热像图，这种热红外线形成的图像也称为热图。这种热成像系统，在全黑和白天观察目标是完全一样的，不受光线的影响，因此可以较好地解决夜视问题。

三、无人机夜间红外搜索影响因素研究

一般来说，探究无人机夜间红外搜索影响因素主要是探究无人机搭载红外热成像镜头对目标物的可检测性以及检测灵敏度问题，本文中笔者主要是针对高度及遮挡物这两个比较直接且直观的因素对无人机夜间红外搜索的影响进行了一定的研究。

(一)高度对无人机夜间红外搜索的影响研究

笔者于4月份在空旷的足球场上就无人机搭载红外热成像镜头对目标物的检测性能是否受高度影响进行了实验研究。由于在警务实践中，所要检测搜索的目标物一般是活体，因此本次实验检测的目标物也是活体，本次研究均选用正常人为待检测目标。同时，为了保证变量的单一性，本次实验中将摄像头调整到垂直目标物，尽量保证无人机沿直线垂直上升，保持目标物始终在无人机的正下方；保证目标物的同一性；保证环境开阔、空旷、无任何遮挡物。

本次实验在夜间室外温度10度的条件下分别就高度10米、20米、50米、100米行了实验，其画面显示模式为黑热模式。

实验结果显示：当无人机距离地面高度为10米时(如图1)，目标物黑热化明显，且可以清晰辨认人形。

图1 高度10米时热图

当无人机距离地面高度为20米时(如图2)，目标物会变小，此时目标物黑热化依然明显，但已无法辨别是否为人形。

图2 高度20米时热图

当无人机距离地面高度为50米时(如图3)，目标物会持续变小，甚至是直接成为黑点，此时目标物黑热化依然明显，从图中可以直观得看出，50米相对于20米来说，其颜色深度基本一致，也就说明其黑热化程度基本一致。

图3 高度50米时热图

当无人机距离地面高度为100米时(如图4)，目标物会持续变小，此时目标物黑热化依然明显，从图中可以直观得看出，100米相对于50米来说，其黑点的大小会变小，但是其颜色深度依然基本保持一致，也就说明当无人高度在50米与100米时其检测到目标物的黑热化程度基本一致。

图4 高度100米时热图

从实验结果来看可以就高度得出以下结论：一是当无人机在高度10米时仍能辨认人形，当高度达到20米时基本无法通过肉眼辨认人形；二是从10米直至100米，其目标物的大小虽然在逐渐变小，但颜色深度基本一致，也就是说无人机检测到的目标物的黑热化程度不随高度的变化而发生变化，这也表明无人机搭载红外热成像镜头检测目标的可检测性以及灵敏度与无人机的高度无关。

(二)遮挡物对无人机夜间红外搜索的影响

既然无人机可以在夜间无光照的情况下进行搜索，那么其笔者就其是否可以穿过遮挡物检测到目标物这个问题也在湖北警官学院内部进行了相应的实验，笔者选择了两类遮挡物，一是树叶，二是透气性较好的一层薄针织物。所选择的的待检测目标物为活体。

1.利用无人机搭载红外热成像镜头检测树叶遮挡下目标物

由于无人机搜索主要是用于野外山区的搜索，其遮挡物主要是树叶，因此此次实验主要重点选取了树叶为实验遮挡物。为了保证变量的单一性，本次实验中将摄像头调整到垂直目标物，保持目标物始终在无人机的正下方；保证无人机高度的一致性(10米)；保证目标物的同一性；保证所检测地环境的一致性(选取同一地点的两颗茂密程度不同的树木作为实验对象)。

本次本次实验在夜间室外温度10度的条件下分别在较稀疏的树叶和较茂密的树叶下进行了无人机搭载红外热成像镜头检测目标物实验，由于树叶间有空隙显示为白点，因此此时选取图像的显示模式为彩虹。

实验结果显示：当无人机待在红外热成像镜头对较稀疏的树叶下的目标物进行检测时，目标物不停在遮挡物下移动，若目标物完全被遮挡物遮住，那么图像中就检测不到被检测目标物；若目标物恰好移动到树叶间隙，那么接收图像中就能检测到被测目标物(如图5)图像中白色显示即为目标物。

图5 较稀疏树叶下热图

当无人机待在红外热成像镜头对较茂密的树叶下的目标物进行检测时，此时无论目标物如何移动，都检测不到目标物(如图6)

图6 较茂密树叶下热图

从实验结果可以得出:当遮挡物为树叶时，无人机搭载红外热成像镜头是不能透过树叶检测到目标物的，与树叶的茂密程度无关。

2.利用无人机搭载红外热成像镜头检测针织物遮挡下目标物

为了研究无人机搭载红外热成像镜头检测目标是否具有可穿透性，我们首先选用了透气性较好的厚度约为5mm的针织物作为遮挡物，待检测目标物将遮挡物高举至头顶至不与人体接触，在夜间室外温度10度的条件下分别从100米-100米对针织物下的目标活体检测，发现即使是在10米的高度，无人机都无法透过遮挡物检测到目标活体(如图7)。

图7 针织物遮挡下热图(未完全遮挡)

同时，我们也对玻璃及墙壁下的待检测目标利用无人机搭载红外热成像镜头进行检测，发现均无法检测到活体目标。

通过分析上述四种不同遮挡物检测实验的实验结果，我们可以得出以下结论：遮挡物对无人机搭载红外热成像镜头检测目标物的可检测性及灵敏度有较大影响。

四、结论

综合上述实验结果，针对无人机搭载红外热成像镜头进行活体搜索的可检测性以及检测灵敏度的研究，可以得到以下结论：一是高度对于无人机搭载红外热成像镜头检测目标物的可检测性以及灵敏度无关；二是遮挡物对无人机搭载红外热成像镜头检测目标物的可检测性及灵敏度有较大影响。

五、亟待解决的问题

在此次实验中，笔者发现了无人机搭载红外热成像镜头检测活体目标时存在以及亟待解决的一些问题，主要有：一是目标物的识别与辨认问题，限制于红外热成像镜头成像的原理及特点，所接受到的图像在无人机达到一定高度后无法辨认人形，即无法辨认是人体还是动物。二是地表温度影响的问题，本次实验是在室外温度为10度时进行的，若是在夏天，室外温度达到40度，类似武汉这种夏天气温较高的城市，夜间室外温度也在35度左右，其地面温度更是高于35度，这个时候红外夜间搜索的效果就会大打折扣。无人机空中侦察已经在警务实践中广泛应用，但其对目标物的识别与追踪这个问题一直是我们亟待解决的问题，这也应是无人机夜间红外搜索进一步加强研究的方向。