(1.湖北警官學(xué)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(yīng)用越來越廣泛，其在警務(wù)等非軍用領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)成為一種發(fā)展的必然趨勢。由于無人機有著體積小、航程遠(yuǎn)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(shè)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(jìn)展。目前主要是利用無人機搭載紅外熱成像鏡頭進(jìn)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(biāo)物的可檢測性以及靈敏度與哪些因素有關(guān)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(jìn)行了一定的研究，在研究過程中也發(fā)現(xiàn)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(yīng)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(shè)備和自備的程序控制裝置操縱的不載人飛機。從技術(shù)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(yīng)用

隨著科技的快速發(fā)展，無人機性能不斷提升，其應(yīng)用也越來越廣泛，無人機有著體積小、航程遠(yuǎn)及無人駕駛等特點，目前已經(jīng)開始應(yīng)用于除軍用領(lǐng)域外的警務(wù)、通信、電力、氣象、環(huán)保等非軍用領(lǐng)域。根據(jù)其特點結(jié)合具體的警務(wù)工作實際情況，無人機在空中偵察、消防救援、搶險救災(zāi)、交通管理等警務(wù)工作中具有廣泛應(yīng)用。

二、儀器設(shè)備及紅外熱成像原理介紹

(一)儀器設(shè)備簡介

當(dāng)前警務(wù)實踐中，夜間搜索選用的設(shè)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(tǒng)集成于飛行器機身內(nèi)，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(shè)備上的DJI?GO?App?控制云臺以及相機。高清圖傳整合于機身內(nèi)部，最大室外傳輸距離達(dá)到5千米，可用于高清圖像傳輸。

禪思TX熱成像鏡頭的產(chǎn)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(biāo)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(yuǎn)程監(jiān)視機械和電氣設(shè)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(tǒng)主要是利用紅外探測器、光學(xué)成像物鏡和光機掃描系統(tǒng)接受被測目標(biāo)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(xué)系統(tǒng)和紅外探測器之間，有一個光機掃描機構(gòu)(焦平面熱像儀無此機構(gòu))對被測物體的紅外熱像儀進(jìn)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(zhuǎn)換電信號，經(jīng)放大處理、轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)，在全黑和白天觀察目標(biāo)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(biāo)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(jìn)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(biāo)物的檢測性能是否受高度影響進(jìn)行了實驗研究。由于在警務(wù)實踐中，所要檢測搜索的目標(biāo)物一般是活體，因此本次實驗檢測的目標(biāo)物也是活體，本次研究均選用正常人為待檢測目標(biāo)。同時，為了保證變量的單一性，本次實驗中將攝像頭調(diào)整到垂直目標(biāo)物，盡量保證無人機沿直線垂直上升，保持目標(biāo)物始終在無人機的正下方；保證目標(biāo)物的同一性；保證環(huán)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(jié)果顯示：當(dāng)無人機距離地面高度為10米時(如圖1)，目標(biāo)物黑熱化明顯，且可以清晰辨認(rèn)人形。

圖1 高度10米時熱圖

當(dāng)無人機距離地面高度為20米時(如圖2)，目標(biāo)物會變小，此時目標(biāo)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(dāng)無人機距離地面高度為50米時(如圖3)，目標(biāo)物會持續(xù)變小，甚至是直接成為黑點，此時目標(biāo)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(dāng)無人機距離地面高度為100米時(如圖4)，目標(biāo)物會持續(xù)變小，此時目標(biāo)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(dāng)無人高度在50米與100米時其檢測到目標(biāo)物的黑熱化程度基本一致。

圖4 高度100米時熱圖

從實驗結(jié)果來看可以就高度得出以下結(jié)論：一是當(dāng)無人機在高度10米時仍能辨認(rèn)人形，當(dāng)高度達(dá)到20米時基本無法通過肉眼辨認(rèn)人形；二是從10米直至100米，其目標(biāo)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(biāo)物的黑熱化程度不隨高度的變化而發(fā)生變化，這也表明無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標(biāo)的可檢測性以及靈敏度與無人機的高度無關(guān)。

(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(jìn)行搜索，那么其筆者就其是否可以穿過遮擋物檢測到目標(biāo)物這個問題也在湖北警官學(xué)院內(nèi)部進(jìn)行了相應(yīng)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(biāo)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(biāo)物

由于無人機搜索主要是用于野外山區(qū)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(diào)整到垂直目標(biāo)物，保持目標(biāo)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(biāo)物的同一性；保證所檢測地環(huán)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(jìn)行了無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標(biāo)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(jié)果顯示：當(dāng)無人機待在紅外熱成像鏡頭對較稀疏的樹葉下的目標(biāo)物進(jìn)行檢測時，目標(biāo)物不停在遮擋物下移動，若目標(biāo)物完全被遮擋物遮住，那么圖像中就檢測不到被檢測目標(biāo)物；若目標(biāo)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(biāo)物(如圖5)圖像中白色顯示即為目標(biāo)物。

圖5 較稀疏樹葉下熱圖

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

圖6 較茂密樹葉下熱圖

從實驗結(jié)果可以得出:當(dāng)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(biāo)物的，與樹葉的茂密程度無關(guān)。

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(biāo)物

為了研究無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標(biāo)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(biāo)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(biāo)活體檢測，發(fā)現(xiàn)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(biāo)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(biāo)利用無人機搭載紅外熱成像鏡頭進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)均無法檢測到活體目標(biāo)。

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

四、結(jié)論

綜合上述實驗結(jié)果，針對無人機搭載紅外熱成像鏡頭進(jìn)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(jié)論：一是高度對于無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標(biāo)物的可檢測性以及靈敏度無關(guān)；二是遮擋物對無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測目標(biāo)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(fā)現(xiàn)了無人機搭載紅外熱成像鏡頭檢測活體目標(biāo)時存在以及亟待解決的一些問題，主要有：一是目標(biāo)物的識別與辨認(rèn)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(dá)到一定高度后無法辨認(rèn)人形，即無法辨認(rèn)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(jìn)行的，若是在夏天，室外溫度達(dá)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(jīng)在警務(wù)實踐中廣泛應(yīng)用，但其對目標(biāo)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(yīng)是無人機夜間紅外搜索進(jìn)一步加強研究的方向。