I ricercatori del Laboratorio di ricerca dell'esercito degli Stati Uniti hanno sviluppato un nuovo tipo di termocamera che consente ai soldati di vedere oggetti nascosti che in precedenza non erano rilevabili.

Dottor Kristan Gurton, un fisico sperimentale presso la Direzione delle scienze computazionali e dell'informazione, e il dottor Sean Hu, un ingegnere elettronico nella direzione dei sensori e dei dispositivi elettronici, stanno conducendo questo sforzo per il laboratorio.

Secondo Gurton, tutti gli oggetti che hanno una temperatura diversa da zero emettono radiazioni termiche nella porzione infrarossa dello spettro, e l'intensità di tale radiazione è proporzionale alla sua temperatura.

La radiazione termica è sempre presente nell'ambiente indipendentemente dal fatto che sia giorno o notte, ecco perché l'esercito usa le telecamere termiche per vedere gli oggetti che spesso sono nascosti al buio.

Però, oltre all'intensità della radiazione infrarossa, c'è un'altra caratteristica della luce che viene spesso ignorata quando si tratta di imaging:lo stato di polarizzazione.

"I ricercatori sanno da circa 30 anni che gli oggetti artificiali emettono radiazioni termiche parzialmente polarizzate, Per esempio, camion, aereo, edifici, veicoli, eccetera., e che gli oggetti naturali come l'erba, suolo, alberi e cespugli tendono a emettere radiazioni termiche che mostrano una polarizzazione molto ridotta, " Gurton ha detto. "Abbiamo sviluppato, con l'aiuto del settore privato, un tipo speciale di termocamera in grado di registrare immagini basate esclusivamente sullo stato di polarizzazione della luce piuttosto che sull'intensità. Queste informazioni polarimetriche aggiuntive consentiranno ai soldati di vedere oggetti nascosti che in precedenza non erano visibili quando si utilizzavano telecamere termiche convenzionali".

Gurton sta portando avanti lo sviluppo dell'hardware della fotocamera, mentre Hu sta lavorando a un software progettato per sfruttare al meglio le informazioni aggiuntive fornite dall'imaging termico polarimetrico.

Secondo Gurton, mentre l'esercito ha sempre avuto un solido programma di imaging termico convenzionale, i suoi sforzi sono una progressione naturale nel tentativo di far avanzare ulteriormente la tecnologia.

"Le applicazioni specifiche del soldato che abbiamo studiato includono il rilevamento di fili di inciampo nascosti e trappole esplosive, maggiore capacità di vedere bersagli mimetizzati, identificazione di mine terrestri sepolte e ordigni esplosivi improvvisati, e potenziamento del targeting e del tracciamento dei missili, mortai, veicoli aerei senza equipaggio e altre minacce aeree, " ha detto Gurton.

La scoperta più recente ed entusiasmante del team riguarda la capacità di rilevare e identificare specifici soggetti umani durante la completa oscurità.

"Prima della nostra ricerca all'ARL, l'unico modo per vedere gli esseri umani di notte era usare l'imaging termico convenzionale, "Gurton ha detto. "Purtroppo, tali immagini sono afflitte da un effetto "fantasma" in cui le caratteristiche facciali dettagliate necessarie per l'identificazione umana vengono perse. Però, quando le informazioni sulla polarizzazione sono incluse nell'immagine termica, cioè., un'immagine polarimetrica termica, emergono fini dettagli del viso, che consente di applicare algoritmi di riconoscimento facciale."

A causa della difficoltà tecnica nella costruzione di sistemi di termocamere polarimetriche, pochissime ricerche erano state condotte prima del coinvolgimento di Gurton e Hu nello studio di questo nuovo fenomeno a partire dal 2005.

"Il nostro obiettivo principale era sviluppare un nuovo tipo di sistema di telecamere in grado di rilevare oggetti difficili, o impossibile, per vedere utilizzando le attuali termocamere all'avanguardia, " ha detto Gurton.

"Stiamo lavorando con il settore privato su un duplice approccio in cui vengono sviluppate sia le fotocamere polarimetriche di livello commerciale che quelle di livello commerciale, " ha detto Gurton. "È nostra speranza che in futuro, tutti i sistemi di imaging termico del Dipartimento della Difesa schierati avranno una capacità polarimetrica che può essere implementata con la semplice pressione di un pulsante."

Il principale partner del settore privato dei ricercatori che si occupa di imaging polarimetrico è Polaris Sensor Technologies, Inc., a Huntsville, Alabama.

Il rapporto tra ARL e Polaris è stato formalizzato attraverso il programma Small Business Innovation Research dell'Esercito.

"L'obiettivo del rapporto con Polaris è superare tutti i problemi tecnici che hanno afflitto i precedenti tentativi di una nuova termocamera, e abbiamo avuto successo da quando abbiamo implementato questa nuova tecnologia, " ha detto Gurton.

"Poco dopo essere stato assunto all'ARL come fisico sperimentale nel 1998, Ho ereditato un mucchio di vecchie termocamere vintage degli anni '80 da uno scienziato in pensione, " Disse Gurton. "Mi sono interessato allo studio della radianza termica e volevo fare qualcosa di nuovo e innovativo, e che non era stato studiato in modo esauriente. Ho trovato diversi vecchi documenti tecnici degli anni '80 che descrivono i tentativi falliti di implementare l'imaging polarimetrico termico".

Quando Gurton ha parlato con i vari ingegneri sia del settore privato che del Dipartimento della Difesa che erano coinvolti negli sforzi precedenti, hanno affermato che i problemi che i tentativi passati limitati erano dovuti a un design eccessivamente complesso, che ha portato a significativi errori di registrazione errata dei pixel, che rendeva inutili i sistemi.

"Abbiamo preso queste lezioni apprese e ho firmato il mio primo contratto di ricerca sull'innovazione per piccole imprese con il Dr. David Chenault di SY Technologies, ora presidente di Polaris Sensor Technologies, " ha detto Gurton.

I problemi principali con gli sforzi precedenti erano duplici. Primo, i primi sforzi erano troppo complessi, lei disse.

"All'inizio, i ricercatori hanno tentato di posizionare micro-polarizzatori su singoli pixel di dimensioni micron della matrice del piano focale a infrarossi, o FPA, " Ha detto Gurton. "Sia gli FPA che la tecnologia dei polarizzatori micro-pixel negli anni '80 e '90 erano abbastanza poco sofisticati. Durante il mio primo contratto, Ho sottolineato un approccio KISS, Per esempio, mantienilo semplice stupido, e ho insistito sul fatto che le aziende concorrenti evitassero il cosiddetto approccio micro-pixel e proponessero concetti molto semplici al fine di produrre un sistema di termocamere polarimetriche termiche calibrate per la ricerca che funzionassero davvero. Per questo nuovo disegno, abbiamo optato per un semplice approccio ad elementi rotanti, che è ancora il gold standard oggi."

Il secondo problema riguardava la registrazione errata delle immagini che affliggeva i sistemi precedenti, lei disse.

"Generalmente, un'immagine polarimetrica è in realtà una sottrazione di due immagini perfettamente registrate, " disse Gurton. "Se le due immagini sono leggermente errate, non funzionerà. Abbiamo fissato l'obiettivo di un grado minimo di registrazione mancante di 1/10 di pixel che doveva essere raggiunto. Attualmente, Tecnologie del sensore Polaris, Inc., sviluppare sistematicamente sistemi che hanno meno di 1/20 di registrazione errata dei pixel."

Gurton ha affermato di ritenere che il futuro della commercializzazione implicherà l'implementazione del precedente approccio FPA a micro-pixel che si è rivelato così difficile, ed è ancora estremamente tecnicamente impegnativo.

Nonostante le difficoltà, Polaris ha prodotto con successo una fotocamera basata su micro-pixel utilizzando microbolometri non raffreddati e lo sta dimostrando nei test sul campo dell'esercito e sui droni.

Per quanto riguarda i prossimi passi per portare a compimento questa tecnologia, Gurton e gli altri ricercatori stanno lavorando attivamente per miniaturizzare la piattaforma della fotocamera e rendere i sistemi più convenienti.