Cueing em tempo real aerotransportado com reconhecimento hiperespectral aprimorado - Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance
Airborne Real-time Cueing Hyperspectral Enhanced Reconnaissance , também conhecido pela sigla ARCHER , é um sistema de imagem aérea que produz imagens terrestres muito mais detalhadas do que a visão simples ou a fotografia aérea comum . É o sistema de imagem hiperespectral não classificado mais sofisticado disponível, de acordo com funcionários do governo dos EUA. O ARCHER pode escanear automaticamente imagens detalhadas para uma determinada assinatura do objeto que está sendo procurado (como uma aeronave perdida), para anormalidades na área circundante ou para alterações de assinaturas espectrais gravadas anteriormente.
Ele tem aplicações diretas para busca e resgate , combate às drogas , alívio de desastres e avaliação de impacto e segurança interna , e foi implantado pela Patrulha Aérea Civil (CAP) nos Estados Unidos na aeronave de asa fixa Gippsland GA8 Airvan de construção australiana . CAP, o auxiliar civil da Força Aérea dos Estados Unidos , é uma organização de educação voluntária e serviço público sem fins lucrativos que realiza buscas e resgates de aeronaves nos Estados Unidos.
Visão geral
ARCHER é uma tecnologia não invasiva diurna, que funciona analisando a luz refletida de um objeto. Ele não pode detectar objetos à noite, debaixo d'água, sob cobertura densa, subterrânea, sob a neve ou dentro de edifícios. O sistema usa uma câmera especial voltada para baixo através de um portal de vidro de quartzo na barriga da aeronave, que normalmente voa a uma altitude de missão padrão de 2500 pés (800 metros) e 100 nós (50 metros / segundo) de velocidade de solo.
O software do sistema foi desenvolvido pela Space Computer Corporation de Los Angeles e o hardware do sistema é fornecido pela NovaSol Corp. de Honolulu, Hawaii, especificamente para CAP. O sistema ARCHER é baseado em pesquisas e testes de tecnologia hiperespectral realizados anteriormente pelo Laboratório de Pesquisa Naval dos Estados Unidos (NRL) e pelo Laboratório de Pesquisa da Força Aérea (AFRL). A CAP desenvolveu o ARCHER em cooperação com o NRL, AFRL e o Centro de Pesquisa e Desenvolvimento da Guarda Costeira dos Estados Unidos no maior projeto interagências que a CAP empreendeu em seus 74 anos de história.
Desde 2003, quase US $ 5 milhões autorizados pela Lei de Apropriações de Defesa de 2002 foram gastos em desenvolvimento e implantação. Em janeiro de 2007, o CAP relatou ter concluído a implantação inicial de 16 aeronaves em todos os EUA e treinado mais de 100 operadores, mas havia usado o sistema apenas em algumas missões de busca e resgate e não havia creditado a ele como o primeiro a encontrar destroços . Em buscas na Geórgia e Maryland durante 2007, ARCHER localizou os destroços da aeronave, mas ambos os acidentes não tiveram sobreviventes, de acordo com o coronel Drew Alexa, diretor de tecnologia avançada, e gerente do programa ARCHER no CAP. Uma aeronave equipada com ARCHER da ala de Utah da Patrulha Aérea Civil foi usada na busca pelo aventureiro Steve Fossett em setembro de 2007. ARCHER não localizou o Sr. Fossett, mas foi fundamental para descobrir oito locais de acidente anteriormente desconhecidos na área do alto deserto de Nevada , com algumas décadas.
O coronel Alexa descreveu o sistema para a imprensa em 2007: "O olho humano vê basicamente três faixas de luz. O sensor ARCHER vê 50. Ele pode ver coisas que são anômalas na vegetação, como metal ou algo dos destroços de um avião." A Major Cynthia Ryan da Patrulha Aérea Civil de Nevada , enquanto também descrevia o sistema para a imprensa em 2007, afirmou: "ARCHER é essencialmente algo usado pelas geociências. É uma coisa muito sofisticada ... além do que o olho humano geralmente pode ver", ela elaborou além disso, "Ele pode ver pedras, pode ver árvores, pode ver montanhas, artemísia, o que for, mas vai 'não isso' ou 'sim, aquilo'. A parte incrível disso é que pode ver tão pouco quanto 10 por cento da meta e extrapolar a partir daí. "
Além da missão principal de busca e resgate, o CAP testou usos adicionais para o ARCHER. Por exemplo, um CAP GA8 equipado com ARCHER foi usado em um projeto piloto em Missouri em agosto de 2005 para avaliar a adequação do sistema para rastrear liberações de materiais perigosos no meio ambiente, e um foi implantado para rastrear derramamentos de óleo após o furacão Rita em Texas durante setembro de 2005.
Desde então, no caso de um vôo originado no Missouri, o sistema ARCHER provou sua utilidade em outubro de 2006, quando encontrou os destroços em Antlers, Oklahoma. O National Transportation and Safety Board ficou extremamente satisfeito com os dados fornecidos pela ARCHER, que foi mais tarde usado para localizar destroços de aeronaves espalhados por quilômetros de terreno arborizado acidentado. Em julho de 2007, o sistema ARCHER identificou um derramamento de óleo causado por inundação originado em uma refinaria de petróleo do Kansas, que se estendeu a jusante e invadiu áreas de reservatório anteriormente insuspeitadas. As agências clientes (EPA, Guarda Costeira e outras agências federais e estaduais) consideraram os dados essenciais para uma correção rápida. Em setembro de 2008, um Civil Air Patrol GA-8 do Texas Wing procurou uma aeronave desaparecida no Arkansas. Foi encontrado em Oklahoma, identificado simultaneamente por pesquisadores terrestres e pelo sistema ARCHER de sobrevoo. Em vez de uma descoberta direta, essa foi uma validação da precisão e eficácia do sistema. Na recuperação subsequente, verificou-se que o ARCHER traçou a área de entulho com grande precisão.
Descrição técnica
Os principais componentes do subsistema ARCHER incluem:
- sistema avançado de imagem hiperespectral (HSI) com resolução de um metro quadrado por pixel.
- câmera de imagem pancromática de alta resolução (HRI) com resolução de 8 cm x 8 cm (3 pol x 3 pol.) por pixel.
- sistema de posicionamento global (GPS) integrado com sistema de navegação inercial (INS)
Imager hiperespectral
O sensor remoto de espectroscopia de imagem hiperespectral passiva observa um alvo em bandas multiespectrais . A câmera HSI separa os espectros da imagem em 52 "caixas" de 500 nanômetros (nm) de comprimento de onda na extremidade azul do espectro visível a 1100 nm no infravermelho , dando à câmera uma resolução espectral de 11,5 nm. Embora o ARCHER registre dados em todas as 52 bandas, os algoritmos computacionais usam apenas as primeiras 40 bandas, de 500 nm a 960 nm, porque as bandas acima de 960 nm são muito ruidosas para serem úteis. Para comparação, o olho humano normal responderá a comprimentos de onda de aproximadamente 400 a 700 nm e é tricromático , o que significa que as células cônicas do olho detectam apenas a luz em três bandas espectrais.
Conforme a aeronave ARCHER voa sobre uma área de busca, a luz solar refletida é coletada pelas lentes da câmera HSI. A luz coletada passa por um conjunto de lentes que focalizam a luz para formar uma imagem do solo. O sistema de imagem usa uma abordagem pushbroom para aquisição de imagens. Com a abordagem pushbroom, a fenda de foco reduz a altura da imagem para o equivalente a um pixel vertical, criando uma imagem de linha horizontal.
A imagem da linha horizontal é então projetada em uma grade de difração, que é uma superfície refletora gravada com precisão que dispersa a luz em seus espectros. A grade de difração é especialmente construída e posicionada para criar uma imagem de espectro bidimensional (2D) a partir da imagem da linha horizontal. Os espectros são projetados verticalmente, ou seja, perpendiculares à imagem linear, pelo desenho e disposição da grade de difração.
A imagem do espectro 2D é projetada em um sensor de imagem bidimensional de dispositivo de carga acoplada (CCD), que é alinhado de forma que os pixels horizontais fiquem paralelos à horizontal da imagem. Como resultado, os pixels verticais são coincidentes com os espectros produzidos pela grade de difração. Cada coluna de pixels recebe o espectro de um pixel horizontal da imagem original. A disposição dos sensores verticais de pixels no CCD divide o espectro em intervalos distintos e não sobrepostos. A saída do CCD consiste em sinais elétricos para 52 bandas espectrais para cada um dos 504 pixels da imagem horizontal.
O computador de bordo grava o sinal de saída do CCD a uma taxa de quadros de sessenta vezes por segundo. Em uma altitude de aeronave de 2.500 pés AGL e uma velocidade de 100 nós, uma taxa de quadros de 60 Hz equivale a uma resolução de imagem do solo de aproximadamente um metro quadrado por pixel. Assim, cada quadro capturado do CCD contém os dados espectrais para uma faixa de solo que tem aproximadamente um metro de comprimento e 500 metros de largura.
Imager de alta resolução
Uma câmera de imagem de alta resolução (HRI) em preto e branco ou pancromática é montada adjacente à câmera HSI para permitir que ambas as câmeras capturem a mesma luz refletida. A câmera HRI usa uma abordagem pushbroom assim como a câmera HSI com uma lente semelhante e arranjo de fenda para limitar a luz que entra em um feixe fino e largo. No entanto, a câmera HRI não possui uma grade de difração para dispersar a luz refletida de entrada. Em vez disso, a luz é direcionada para um CCD mais amplo para capturar mais dados de imagem. Por capturar uma única linha da imagem do solo por quadro, é chamada de câmera de varredura de linha. O HRI CCD tem 6.144 pixels de largura e um pixel de altura. Ele opera a uma taxa de quadros de 720 Hz. Na velocidade e altitude de busca do ARCHER (100 nós sobre o solo a 2.500 pés AGL), cada pixel na imagem em preto e branco representa uma área de 3 por 3 polegadas do solo. Essa alta resolução adiciona a capacidade de identificar alguns objetos.
Em processamento
Um monitor no cockpit exibe imagens detalhadas em tempo real, e o sistema também registra a imagem e os dados do Sistema de Posicionamento Global a uma taxa de 30 gigabytes (GB) por hora para análise posterior. O sistema de processamento de dados on-board executa inúmeras funções de processamento em tempo real, incluindo aquisição e gravação de dados, correção de dados brutos, detecção de alvos, cueing e chipping, geo-registro de imagem de precisão e exibição e disseminação de produtos de imagem e informações de alvos.
O ARCHER tem três métodos para localizar alvos:
- correspondência de assinatura onde a luz refletida é combinada com as assinaturas espectrais
- detecção de anomalias usando um modelo estatístico dos pixels na imagem para determinar a probabilidade de um pixel não corresponder ao perfil, e
- detecção de mudança que executa uma comparação pixel a pixel da imagem atual com as condições do solo que foram obtidas em uma missão anterior na mesma área.
Na detecção de mudanças, as mudanças de cena são identificadas e os alvos novos, movidos ou que partiram são destacados para avaliação. No casamento de assinatura espectral, o sistema pode ser programado com os parâmetros de uma aeronave perdida, como cores de tinta, para alertar os operadores sobre possíveis destroços. Também pode ser usado para procurar materiais específicos, como produtos de petróleo ou outros produtos químicos lançados no meio ambiente, ou até mesmo itens comuns, como lonas de polietileno azuis comumente disponíveis . Em uma função de avaliação de impacto, informações sobre a localização de lonas azuis usadas para consertar temporariamente prédios danificados em uma tempestade podem ajudar a direcionar os esforços de alívio em desastres; em uma função de combate às drogas, uma lona azul localizada em uma área remota pode estar associada a atividades ilegais.