红外摄像与热像仪的图像显示与温度感知功能及无人机吊舱图像稳定的减振技术

2023-07-23 理论教育版权反馈

【摘要】：红外摄像机主要以图像形式显示场景，大多是单色；而红外热像仪则着重温度的显示，使用彩色表示温度高低。无人机多功能吊舱图像稳定的秘密：减振器对于云台或者吊舱设备来说，减振是一大难题。减振器一般只有一个最佳工作状态，在此状态之外性能逐渐变差，甚至会增大振动。

民用运动相机

运动相机

以GoPro为代表的民用运动相机，因为轻巧的设计和高清晰的视频录像，在无人机领域获得普遍认可。尤其是娱乐用无人机，大部分配备这种相机。它的特点就是省略了变焦功能，使摄像机结构大幅度简化，整体重量减轻，并使用高清晰度摄像来弥补；一般自带充电电池，能够满足几个架次的使用需要，这种设计能够简化云台的线路；带有低清晰度的模拟视频输出，配合低成本的模拟图传即可实时预览录像效果。

但是也因为没有变焦功能，使得此类相机只能用于娱乐，而对于远距离观察和监视任务却无能为力，不能进行高精度作业。

单反和微单

微单云台

单反相机照相效果优异，是无人机机载相机的理想选择，但是其成本过高，体积和重量都比较大，民用微型无人机很难承载。于是微单相机开始逐渐取代单反相机的地位，在无人机应用中逐渐普及。

其实单反相机的高分辨率和高品质图像对于无人机来说是没有太大意义，因为飞机平台总在运动和振动中，不会有完全静止的拍摄条件。但是单反相机和微单相机具有高速快门和很强的图像平衡能力，大部分产品还带有4～10倍的光学变焦，这些功能比运动相机更加适合无人机使用。

监控才是正路

监控机芯

无论是运动相机、微单相机还是单反相机，它们有个共同特点，就是画面追求色彩丰富和层次感。但是真正的作业无人机是不需要这些特性的，而是重视在不同的光线强度下能否得到高清晰度的图像。所以吊舱大多使用监控机芯作为可见光载荷，它们一般具有30～60倍变焦功能，带有高动态画面处理能力，能够自动进行白平衡或者图像遮蔽，并且在黑暗的环境下可以自动转换为黑白摄像，有些型号甚至带有红外滤镜，光线充足的时候屏蔽红外而在夜晚打开提高监视能力。

红外和测温是奢侈品

可见光相机的红外拍摄能力是十分有限的，只能作为辅助功能起到增强作用。那么在完全黑暗的夜晚，如何进行侦察和监视任务呢？1800年英国物理学家赫胥尔在研究可见光热量的过程中意外发现了红外线。后来经过证实，任何温度高于绝对零度的物体都在不断辐射红外线，而且温度越高红外线越强烈。这种光线是人眼不能见的，但是在夜晚，可以通过特殊的传感器感应这些红外线，并将它处理成人眼可见的颜色，这就是红外摄像机。

这里要说明的是，无人机使用的红外摄像机与监控用红外摄像机不同，监控使用的是主动红外摄像机，就是摄像机带有红外发光器来对附近区域进行红外线照明，摄像头再捕捉反射的红外线成像。由于无人机在高空活动，而红外发光器的照明范围十分有限，所以无人机上使用的是被动红外摄像机，就是摄像机能够真正地感应微弱的热红外线，并处理后输出给其他设备。民用红外摄像机与军用大型红外摄像机也有所不同，因为飞机载荷有限，不能使用大功率制冷设备。所以民用红外摄像机全部都是非制冷被动红外摄像机。

红外摄像机成像

从感光材料分类，适合民用的红外传感器有两种：砷化镓传感器和氧化钒传感器，这两种材料在一定温度条件下，接收到微弱的红外照射会发生半导体到金属态的相变，通过测量这种相变来得到红外图像。

红外摄像机从功能上则分为红外摄像机和红外热像仪。红外摄像机主要以图像形式显示场景，大多是单色；而红外热像仪则着重温度的显示，使用彩色表示温度高低。

另外红外摄像机还经常跟可见光、激光测距仪一起安装在一起，形成多功能可切换可测距的吊舱，用户可以在不同环境下选择性使用，而不必降落换装载荷，这对于超过12小时续航的无人机系统来说是必备功能。

无人机多功能吊舱

图像稳定的秘密：减振器

对于云台或者吊舱设备来说，减振是一大难题。尤其对于小型和微型无人机来说，往往没有空间把吊舱和发动机分开。对于多旋翼无人机，周围都是电动机，各个方向都有振动传来，而吊舱本身却只能使用双框架，或无刷云台，减振能力有限，所以与减振器匹配工作，是吊舱安装调试过程中非常重要的工作。

各种工业减振器

减振是一个复杂的物理问题，它与设备的重量、振动频率和振动幅度都有关系。减振器一般只有一个最佳工作状态，在此状态之外性能逐渐变差，甚至会增大振动。这就是为什么很多内置减振器的飞控在较重的无人机上飞行效果反而差强人意的原因。

正规工业减振器有空气减振器、钢丝绳减振器、凝胶式减振器等，这些减振器带有正规的性能曲线和参数指标，但是价格昂贵。民用无人机则常常使用成本低廉的橡胶柱或者泡棉替代，这些材料易老化，减振效果不稳定，需要经常检查。

红外摄像与热像仪的图像显示与温度感知功能及无人机吊舱图像稳定的减振技术

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