小型无人机的光电传感器负载

无人争锋2020-07-31 14:57:24

来源:新光电(eofrontiers),作者:西安应用光学研究所   徐航  石鑫


 传感器设计者目前涉足新的技术领域,他们希望完成一种完美的设计,可以在提升传感器性能的同时减小尺寸、重量和能耗。


图1   美国大峡谷的ALIRT图像。使用普林斯顿光波公司的雷达传感装置在一次飞行时获 取。不同颜色分别表示1000米范围以上的不同高度。嵌图为可见光相机拍摄的峡谷的不同位置视图。


现在和未来的军用无人机倚重光电传感器负载完成任务。这些传感器探测多光谱带的光线,并使无人机可视。光电负载就是那些使无人机可视并避开障碍物、探测移动、准确导航、发现敌情、预警隐形简易爆炸装置(IED)的传感器。


无人机光电传感器负载的设计者还面临着保持与无人机工业的快速发展趋势同步的压力。可能没有其他市场对更小、更轻、价格更低的负载的需求像无人机行业对它的需求这样迫切。降低负载的尺寸、重量和能耗(SWaP)是核心要求。


无人系统,尤其是机载无人系统需求激增,用户除了军方之外,还有更多控制成本的行业,如执法部门、农业、商用遥控传感、交通监控以及体育赛事。简而言之,越来越多的人群需求尺寸小、成本低、可靠性强的无人机。这些无人机需要与之匹配的光电传感器负载。


上述应用不仅要求更小、更轻、价格更低的负载,对其性能的要求亦在提升。随着光电及电子元件技术向更小、更轻、更实惠发展,负载设计者有时可以在更小的尺寸和重量或更好的性能之间做选择。有时他们力求两全,这样就为设计业带来了发展空间。

无人机

无人机(UAV)位于无人设备研究、开发及销售的最前沿。其重要性并不弱于无人驾驶地面车辆(UGV)和无人舰艇,正是无人机将发展无人光电传感器负载提上了议程。无人机的最终发展计划是一个针对大型无人机以及日渐增长的小型无人机(能够提供地域短航时监视)的广阔发展,这些无人机可以使地区指挥者看得更远。


Hoodtech公司的产品开发部副总Chris Johnston指出,对负载的尺寸和重量要求严苛,是因为在这些小型无人机里,1克的负载意味着消耗10分钟航时的燃料。Hoodtech公司视觉分公司为“扫描鹰”弹射无人机(由位于华盛顿州宾根的Insitu公司生产)提供传感器负载。


减小无人机负载中尺寸和重量的要求引发了前所未有的技术创新。这种创新完全脱离于早期的无人机,那时候美国国防部(DOD)预算中将这种机身庞大的无人机让位给了最新技术。


图2  美国大峡谷的ALIRT图像(部分)


新范例

“不久前,对于传感器技术研发的强劲推动并未涉及到尺寸和重量,这是因为美国国防部除了无人机之外,还拥有大型机如‘全球鹰’和‘捕食者’” ,无人光电传感器专业制造商Headwall光电公司的CEODavid Bannon说道。


Headwall公司专注于高光谱成像传感器的研究,这种传感器小而坚固足以适应小型无人机。高光谱成像是一个复杂的程序:在光谱中进行多种带宽取样,用以提供一个丰富的数据设置,并探测单光谱成像传感器所无法看见的关注目标。


“我们的用户层非常希望将高光谱成像作为一个标准元件用于光电红外(EO/IR)传感器套装中。”Bannon说。假如目前和今后的无人机尺寸缩减,将面临巨大的工程技术挑战。


“我们的确需要保持工业和光谱成像行业已适应的一种性能水准,” Bannon说,“我们需要减小成品尺寸,使之可以成为那种传感器套装中的元件。”


Headwall公司的技术人员启用一个非常小的万向架,并安装带有高光谱传感器负载的高清可见光摄像机。“我们要研发更小、更轻的产品,就需要关注之前未被使用过的多种新型材料,用它们来设计更轻、更坚固的传感器。” Bannon说。


对于尺寸小、重量轻的要求迫使Headwall公司进行一个通用材料设置,以适应恶劣环境条件,例如无人机起飞和降落时的压力。“中东的飞机跑道温度可能有120度,负载必须在几分钟内飞离几千英尺远,而那地方温度低得多。” Bannon说。


由于无人机光电负载必须持续缩减尺寸,工程技术面临的挑战更加严峻,迫使工程技术人员作一些定制设计,而在几年之前的设计中只考虑现成的解决方案。


在小型无人机增加之前,如Bannon所说,Headwall公司的技术人员可以购买现成的商用相机内核用于光电负载,将更多的精力用于高光谱负载,而如今这种“福利”他们享受不到了。


“我们在传感器机电方面做了工作,并在关注新奇电子,”Bannon说,“我们不再可能买个相机内核回来。我们定制了电子元件,将这些传感器尽量变得小而高效,而几年前我们无需这样做。”


许多可用的成品热相机和短波红外相机并不适于小型无人机上严谨的物理结构,因此,“我们必须评估这些传感器机电元件的尺寸,致力于为我们的机电组件开发新的探测器技术。”


这种定制设计来得并不便宜,但是光电负载的设计者们正在寻求在其他方面缩减开支。


图3  该幅欧洲农田的高光谱图像由一架无人机和Headwall光电公司的微高光谱传感器拍摄。

图4  在海地,ALIRT对高度、斜率的精确探测和测量协助了解在数次飓风后哪种车辆可以进行障碍物导航。


致冷红外与非致冷红外对比

传统思维认为使用高品质致冷红外传感器意味着尺寸、重量和功耗的妥协。因为致冷红外传感器通常更大、更重,需要的能耗更高,而且通常比起相应的非致冷元件成本更高。


Hoodtech视觉分公司的光电负载设计者们的设计准则不限于传感器组件,还包括不同应用所需的玻璃光学元件。此外他们发现致冷红外相对于非致冷的那种传统思维并不是时时适用。


从2004年以来为“扫描鹰”光电负载的数年设计经验中,公司技术人员发现用致冷红外传感器取代重光学元件可以使负载在尺寸、重量和功耗上取胜。


在美国,揭示这个非传统设计思维的关键环境并没有过多涉及到传感器技术,比不上其所涉及的感受需求。


Hoodtech视觉公司的Johnston说,在高海拔使用无人机的军队比有人机更确保飞行员免于碰撞危险。


Hoodtech视觉公司在2004至2008年间将上万个光电负载用于“扫描鹰”和其他的小型无人机。它们包括重量在800到1000克之间的非致冷红外传感器,安装在一个约7英寸的万向架中。


“2008年,某种程度上,军事要求更加严格,我们不能按照直升机飞行高度来飞行无人机,无人机要求在3000英尺高空飞行或更高,”Johnston说道。尽管这种高度会使无人机隐形,“从那些高度评估人员行动带来更困难的光学问题。”


问题是达到放大率所需的玻璃数量以及3000英尺高度飞行时传感器所需的视场。“从3000英尺高空获取窄视场要求配置一个非致冷光学元件,而它有可能破坏飞机。”Johnston说道。


就是说,必须改变负载重量的预算。出于对性能的考虑,在“扫描鹰”上光电传感器负载的重量从1200克增加到了3500克。这样就要求对飞机及其重心做一些重新设计,换来性能的提升。


同时,Johnston及其他技术人员认为3500克的重量意味着可以尝试致冷红外传感器,“达到所需要的放大率有一个平衡点,在这个点上从重量方面考虑致冷传感器比非致冷传感器更加有效。”Johnston说道。


上述思维也有不足。Hoodtech公司的设计者使用中波红外传感器,它对于冷物体的敏感范围没有长波红外大。长波红外相机对于无人机而言还是太大,至少暂时是这样。另一方面,短波红外传感器夜间工作的敏感度和分辨率不精确。Johnson说道。


中波红外传感器在小型无人机领域优势显著。“中波允许使用高光圈数工作,积分时间短,敏感度优异。”Johnson解释道,积分时间越短,图像受飞机震动的影响就越少。


解决尺寸及重量问题最直接的方式就是将几个不同的光电传感器集成到一个负载中。如今很多的光电负载集成了日光视频摄像机、激光测距仪以及一种或多种红外或多光谱成像传感器。


例如,Hoodtech公司已经可以将中波红外传感器、日光视频摄像机以及激光测距仪集成在一个重量为1200克的负载中。该公司所产的一个单独多传感器负载包含了一个高功率日光视频摄像机(由一个摄像机和一个望远镜监视器组成),该负载放大率优异并拥有窄视场。

图5  这些三波段图像(波长从740毫微米到720毫微米)由Headwall光电公司的VNIR传感器采用60赫兹采样频率拍摄。地面高度8000英尺,速度120海里/小时(照片为洛瓦大学)


稳定技术

对于小型无人机光电负载的最严峻的隐性要求是使传感器在飞行期间保持足够稳定以提供有价值的视频和图像。无人机越小,受到外界影响越大,甚至最小的风都会影响到传感器聚焦关注区域。


稳定技术在历史上曾与致冷技术不相上下:沉重、昂贵、功耗大。然而,传感器负载设计者抛去它用于小型无人机的常见缺陷而致力于稳定技术,不仅是为了提高性能,同时解决尺寸重量难题。Johnson指出,Hoodtech公司的超高功率摄像机如果不在飞行期间稳定技术方面有所创新的话,它将毫无价值。


据Johnston介绍,公司为其3500英尺高空负载发明了一套四轴稳定系统,包括陀螺仪和用于针对陀螺补偿的驱动电机。而很多小型无人机传感器负载的设计者使用的是两轴稳定系统,如果带上高放大率摄像机,这种系统难以实现稳定。


在四轴稳定系统中,我们有一个惯性内台,和一个充当俯仰件的外台。Johnston解释,“它使内台尽可能指向窗口。”微弱的大气扰动由惯性内台处理。无人机受到的风或其他外力都可能打败惯性技术。


我们用内台能够实现振幅受限,但是如果飞机在一秒钟内凸起和移位45度,就很难实现。对于大多数扰动,我们可以有效地保持摄像机准确指向地面,抵制电机振动的低频率和高频。


Hoodtech公司设计师弃用两轴稳定系统除了考虑性能外还有更多原因,Johnston说,“其他设计师都在用两轴稳定系统,而它并不能达到四轴所达到的优异的稳定效果,并且比四轴系统耗能更高。是四轴系统非凡的稳定性使我们表现更好。”而且使负载的小尺寸和低重量得以保持。


应  用

小型无人机最有前景的应用之一是在高海拔记录精确的3D地图数据。普林斯顿光波公司的人员正在设计雪崩光电二极管作为高分辨率雷达成像传感器使用的光子启动开关。


这项技术真正的过人之处是在广域高空下采图。普林斯顿光波公司的CEO兼技术总监Mark Itzler说,这种技术能力指的是一个探测器能探测多远,它们有多灵敏来保证光电传感器在快速移动的无人机上完成高空飞行。



图6  本幅照片展示了Insitu公司“扫描鹰”的尺寸之小

图7  “扫描鹰”小型无人机上的成像传感器最多可以集成3个不同传感器(由Hoodtech视觉公司组装)


这项技术的很多方面仍在试验阶段,Itzler说他看到了这项技术应用在无人机采图和瞄准吊舱的前景。“我们具备单光子探测灵敏度高达10万赫兹的帧速率,”Itzler解释道,“每帧获取信息较少但信息却是以快1000倍的速度反馈。”


Itzler还看到,这项技术可以应用于直升机传感器,设计用于在低能见度时探测障碍物,例如,当直升机降落在风沙地区时的高压电线以及暗光下的地物等等。这项技术还可以用于在无人地面车辆上实时自主导航。


一旦成为现实,多种商业应用将应运而生,尤其是高级轿车的障碍回避,甚至是新一代无人驾驶轿车。此外,Itzler还介绍,这项技术还可以通过改变发射器的波长,用于水下无人舰艇的导航、躲避障碍物和探测鱼雷。