بهبود عملکرد حسگرهای مادون قرمز در پهپادها و ریزپرنده‌ها

در هواپیماهای بدون سرنشین (UAVs) و ریزپرنده‌ها بهینه‌سازی اندازه، وزن و توان مصرفی (SWaP) از اهمیت بالایی برخوردار است. متخصصان این حوزه از صنعت هوایی در تلاش هستند تا از جدیدترین فناوری‌های دنیا برای بهینه‌سازی SWaP و افزایش عملکرد پلتفرم‌ها استفاده کنند. یکی از حوزه‌هایی که همیشه مورد توجه بوده است، فناوری‌های مرتبط با حسگرها هستند. یک UAV ممکن است از چند حسگر برای انجام ماموریت‌ها و عملیات‌های ناوبری خود استفاده کند. به عنوان مثال در بسیاری از پهپادهای بزرگ و کوچک شاهد استفاده از سیستم‌های تصویربرداری هستیم که از حسگرهای مادون قرمز (IR) استفاده می‌کنند. بهینه‌سازی SWaP در این حسگرها می‌تواند تاثیر معناداری بر سرعت و برد پهپادها و به‌خصوص ریز‌پرنده‌ها داشته باشد. بهبود SWaP همچنین پهپادهای ارزان و کوچک را قادر می‌کند تا دوربین‌های IR با کارایی زیاد را برای عملیات‌های شناسایی، ردگیری و دستیابی به اهداف چندگانه، در خود جای دهند.

تصویربرداری مادون قرمز

اشعه مادون‌قرمز که بخشی از طیف الکترومغناطیسی را تشکیل می‌دهد، از هر جسمی با دمای بیشتر از صفر مطلق منتشر می‌شود. مقدار این تشعشع با افزایش دمای جسم زیاد خواهد شد. این امواج می‌تواند توسط حسگرهای مادون قرمز دریافت و اندازه‌گیری شود. با توجه به اینکه این امواج خارج از محدوده طیف مرئی قرار دارند، بنابراین بدون توجه به نور محیط یا روز و شب بودن، دوربین‌های تصویربرداری IR می‌توانند اشیاء و حتی موجودات زنده با دمای مختلف را آشکار کنند.

شکل 1- جایگاه امواج مادون قرمز و مرئی در طیف الکترومغناطیسی

برای اولین بار در سال 1929 یک فیزیکدان مجارستانی به نام کالمن تیهانی دوربین مادون قرمز را با هدف استفاده در پدافند ضد هوایی بریتانیا اختراع کرد. در سال‌های بعد از آن شرکت‌های تگزاس اینسترومنت و هانی‌ول نسخه‌های پیشرفته‌تری از این نوع دوربین را برای اهداف نظامی و تجاری مثل سامانه‌های دفاعی و ساخت اسکنرها طراحی کردند. همانطور که در طول زمان سرعت پردازش تصویر بهبود پیدا می‌کرد، دوربین‌های مادون قرمز نیز پیشرفته‌تر و کوچک‌تر می‌شدند. مدل‌های اولیه تنها امکان اندازه‌گیری یک طول موج از طیف IR را داشتند. اما دوربین‌های جدید با استفاده از یک پردازشگر سیگنال و چند آرایه از حسگرها با پهنای باند زیاد، امکان نگاشت تغییرات انرژی مادون قرمز و محاسبه مقدار دما برای هر پیکسل از محیط و در نهایت تولید یک تصویر رنگی را دارند.

شکل 2- تصویری از یک دوربین حرارتی در سال 1969 با وزن تقریبی 25 کیلوگرم که مقادیر اندازه‌گیری شده را روی اسیلوسکوپ نمایش می‌داد.

در اواخر دهه 1980 میلادی با پیشرفت فناوری و پی بردن به قابلیت‌های این مدل دوربین‌ها، شاهد استفاده از آن در هواپیماها و پهپادها بودیم. امروزه مدل‌های مختلفی از دوربین‌های IR توسط شرکت‌های مختلف تولید می‌شوند و ابعاد و وزن آن‌ها به گونه‌ای است که امکان نصب روی پرنده‌های بدون سرنشین کوچک را دارند. کاربردهایی از جمله جستجو و نجات، بررسی رفتار حیوانات در حیاط وحش، مسائل امنیتی در محیط‌های خاص، نظارت بر مرزها و کشاورزی باعث شده است روز به روز محبوبیت دوربین‌های IR افزایش یافته و تقاضا برای ارتقاء فناوری‌های آن بیشتر شود. از سوی دیگر با محبوبیت و گسترش بیشتر ریزپرنده‌ها، توسعه‌دهندگان در تلاش‌ هستند، دوربین‌هایی با ابعاد بسیار کمتر و وزن سبک‌تر را تولید کنند.

در بسیاری از کاربردها، سیستم تصویربرداری IR باید قابلیت اندازه‌گیری سطوح بسیار کمی از تشعشعات گرمایی را داشته باشد، برای دستیابی به این هدف لازم است اجزای خود سیستم بسیار خنک باشند. افزایش دما در هر یک از بخش‌های سیستم تصویربرداری منجر به کاهش دقت و کیفیت تصاویر نهایی می‌شود. به عبارتی سیگنال‌های IR دریافتی باید قوی‌تر از دمای پس‌زمینه و نویز گرمایی تولیدی توسط حسگرهای مادون‌قرمز باشد.

در پهپادهای بزرگ، سیستم‌های برودتی دمای محیط و سیستم تصویربرداری را تا حد مناسبی خنک نگه می‌دارند، اما در پهپادهای کوچک این امکانات فراهم نبوده و محدودیت‌های زیادی ایجاد می‌شود. با این حال باز هم فناوری به کمک طراحان سیستم آمده است و مدارات مجتمع بازخوانی دیجیتال (^[1]DROIC) توانسته با بهینه‌سازی SWaP، امکان استفاده از دوربین‌های IR خنک شده را در ریزپرنده‌ها فراهم کند.

مدارات مجتمع بازخوانی دیجیتال

اگر بخواهیم یک سیستم تصویربرداری مادون قرمز را به‌طور خلاصه تشریح کنیم، باید آن را شامل تعدادی آشکارساز (برای تبدیل تشعشع مادون قرمز به سیگنال الکتریکی) و یک مدار مجتمع بازخوانی (ROIC) دانست. این مدار مجتمع وظیفه پردازش سیگنال‌های الکتریکی تولیدی توسط آشکارسازها و ایجاد یک جریان ویدئو از آن‌ها را برعهده دارد. روش کار به این صورت است، یک آرایه از آشکارسازهای مادون قرمز که به اختصار FPA^[2] نامیده ‌می‌شوند، در مقابل لنز دوبین قرار می‌گیرند.

پس از تبدیل موج IR به بار الکتریکی توسط این آرایه، مقدار آن برای هر پیکسل از تصویر روی یک خازن ذخیره شده و سپس این مقادیر برای پردازش به مدار مجتمع ارسال می‌شوند. این امر مستلزم حفظ نسبت سیگنال به نویز (یا محدوده دینامیکی) برای هر پیکسل تا مرحله خواندن و دیجیتالی شدن سیگنال در مدار مجتمع است. به یاد داشته باشید که برای یک آرایه 1080×720، یک میلیون پیکسل و خازن نیاز است. یک راه حل مناسب برای مقابله با این مشکل، استفاده از مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال (ADC) در هر پیکسل از آرایه تصویر است. این روش به DROIC شهرت یافته است.

شکل 3- ساختار یک FPA با مدار مجتمع بازخوانی (ROIC)

در روش DROIC بار الکتریکی روی خازن‌ها در سطح پیکسل تبدیل به کدهای دیجتالی شده و این کدها بدون نگرانی از تاثیرپذیری نویز، به‌صورت فریم روی خروجی‌های حسگر قرار می‌گیرند. انتقال سریع اطلاعات دیجیتال باعث می‌شود تا حسگر بتواند نرخ بالایی از فریم‌ها را تولید کرده و تصاویر بلادرنگ ایجاد شوند.

با توجه به اینکه تصاویر تولیدی از تعداد محدودی الکترون ایجاد شده توسط فوتون‌های تشعشع‌ یافته از هدف تشکیل می‌شود، کاملا واضح است که دماهای بالای صفر مطلق در داخل FPA می‌تواند تا چه اندازه روی تصاویر تولیدی تاثیرگذار باشد. بنابراین کاهش نویز دمایی در FPA می‌تواند سبب بهبود تصاویر تشکیل شده از هدف داشته باشد. یک نکته دیگر در مورد آرایه آشکارسازها، وجود نویز ثابت در سراسر صفحه است، چرا که اختلاف دما در مرکز آرایه و حاشیه‌های آن نیز باعث اغتشاش در نتیجه نهایی خواهد شد.

امروزه با ظهور FPAهایی با ابعاد کوچک‌تر، رزولوشن بیشتر و البته رنج دینامیکی بالاتر، می‌توان تصاویر با کیفیت بیشتری تولید کرد. این آرایه‌ها می‌توانند ضمن بهبود کیفیت نتایج خروجی، دمای خنک لازم برای سیستم را نیز فراهم کنند.

ساختار DROIC

شکل‌ 4- الف یک بلوک دیاگرام یک مدل روز از DROIC را که در سیستم‌های تصویربرداری مادون قرمز پهپادها مورد استفاده قرار می‌گیرد، نشان می‌دهد. همچنین شکل 4- ب نیز بلوک دیاگرام یک مدل ROIC را نشان می‌دهد که فاقد مدارات مبدل آنالوگ به دیجیتال است.

الف                                                                                         ب

شکل 4- (الف) بلوک دیاگرام یک مدل روز از DROIC و (ب) بلوک دیاگرام یک مدل ROIC

بخش بزرگ مرکزی در بلوک دیاگرام مربوط به آرایه آشکارسازهای فعال است که شامل 1280 ستون و 720 ردیف پیکسل می‌شود. هر پیکسل با مدارات پشتیبان خود در ابعاد 8 میکرومتری قرار دارد. در این تصویر مدارات آنالوگ با رنگ آبی و بخش‌های دیجیتال با رنگ سبز نشان داده شده است.

شکل 5 یک بلوک دیاگرام از زنجیره تبدیل امواج IR به جریان داده‌های دیجیتال را نشان می‌دهد. اطلاعات پیکسل‌ها به‌صورت ردیف به ردیف برای بازخوانی وارد یک بافر ستونی می‌شوند. این بافر یک سیگنال به نویز خوب را به تقویت‌کننده گین قابل برنامه‌ریزی (PGA) تحویل می‌دهد. این تقویت‌کننده پلاریته و گین لازم را به سیگنال مذکور اعمال می‌کند.

خروجی‌های PGA برای تبدیل به کد‌های دیجیتال وارد یک ADC ستونی 14 بیتی می‌شوند. این مدل پیکر‌‌بندی در مهندسی پردازش سیگنال با نام معماری موازی ستون شناخته می‌شود. پردازنده ویدئوی دیجیتال عملیات‌های پردازش سیگنال مثل عمل خطی‌سازی کدها و میانگین‌گیری را انجام می‌دهد. در ادامه سیگنال‌های موازی دیجیتال وارد یک بلوک برای تبدیل به داده‌های سریال استاندارد می‌شوند. در نهایت نیز یک جریان سیگنال ویدئوی تشکیل شده برای ارسال به خروجی، به صورت دیفرانسیلی آماده می‌شوند.

شکل 5- بلوک دیاگرام زنجیره تبدیل امواج IR به جریان داده‌های دیجیتال

DROICهای امروزی توانایی آشکارسازی طول موج‌های مختلف مادون قرمز (برای مثال هم طول متوسط و هم طول بلند) را دارند. این مدل‌ها که معمولا با نام دو- باندی شناخته می‌شوند، در ایجاد تصاویر مادون قرمز دورنگی در پهپادها کاربرد زیادی دارند. به عنوان مثال یک دوربین IR می‌تواند در باند کوتاه برای ایجاد دید خوب در شرایط اتمسفری ضعیف (دود، ابر، مه و غیره) و در باند متوسط برای افزایش برد در شرایط اتمسفری مناسب استفاده شود.

افزایش قابلیت‌های تصویربرداری IR برای پهپادها

به لطف فناوری DROIC، پهپادهای امروزی قابلیت شناسایی و ردیابی دقیق چند هدف را به‌طور همزمان یافته‌اند. مدل‌های پیشرفته دوربین‌های مادون قرمز دارای یک حالت شاتر جهانی (Global Shutter) یا عکس سریع هستند که از تعداد نامحدودی پنجره کوچک برای ردگیری اهداف استفاده می‌کنند. اندازه پنجره‌ها می‌تواند با توجه به شرایط تنظیم شود. برای مثال تعداد نامحدودی از پنجره‌های 32×32 پیکسل می‌تواند با سرعت تقریبی 9000 فریم در ثانیه اهداف را ردگیری کند. برای درک این عدد به یاد داشته باشید که تلوزیون‌های 4K HDR با نرخ 60 فریم برثانیه کار می‌کنند.

دوربین مادون قرمز مدل X8500SC با قابلیت تصویربرداری 1280×1024 و نرخ 6500 فریم بر ثانیه در حالت پنجره‌ای

این سرعت و کارایی زیاد دوربین‌ها برای ردگیری چند هدف از آن نظر اهمیت دارد که پهپادهای کوچک بال متحرک امروزی دارای سرعت‌هایی بیشتر از 200 مایل بر ساعت بوده و حتی ممکن است با اهدافی دارای سرعت بیشتر مواجه شوند. در مورد پهپادهای بزرگ بال ثابت نیز شرایط مشابهی وجود دارد و تصویربرداری با شاتر چرخشی (Rolling Shutter) نمی‌تواند پاسخگوی تولید تصاویر با کیفیت و بدون اعوجاج ناشی از حرکات سریع باشد. در این هواپیماها کاهش مصرف انرژی برای افزایش مداومت پروازی اهمیت دارد. در صورتی که در دوربین‌های IR از پنجره‌های کوچک برای ردگیری استفاده شود، امکان بهینه‌سازی مصرف برق فراهم خواهد شد.

دامنه دینامیکی بالا، ویژگی مهم دیگری است که فناوری DROIC به دوربین‌های مادون قرمز بخشیده است. گسترش دامنه دینامیکی به توانایی شناسایی و تفکیک اشیاء مختلف در صحنه‌ای که دارای مشخصات دمایی متفاوتی هستند، کمک می‌کند. در عمل یک UAV ممکن است به‌طور همزمان با تعداد زیادی تهدید مواجه شود. یکی از این تهدیدها ممکن است بزرگتر و داغ‌تر بوده و در نتیجه نسبت به تهدیدهای کوچک‌تر یا سردتر، به راحتی شناسایی شود. در این حالت شناسایی صحیح سایر تهدیدها یک نگرانی محسوب می‌شود. دامنه دینامیکی وسیع به سیستم IR این قابلیت را می‌دهد تا به‌طور همزمان بتواند یک موشک زمین به هوا و یک تک‌تیرانداز را که اثرات گرمایی کمتری دارد، شناسایی و ردگیری کند.

[1] Digital Readout Integrated Circuit

[2] Focal Plane Arrays