Des chercheurs du laboratoire de recherche de l'armée américaine ont développé un nouveau type de caméra thermique qui permet aux soldats de voir des objets cachés qui étaient auparavant indétectables.

Dr Kristan Gurton, un physicien expérimental à la Direction des sciences de l'informatique et de l'information, et le Dr Sean Hu, un ingénieur électronicien à la Direction des Capteurs et Dispositifs Electroniques, dirigent cet effort pour le laboratoire.

Selon Gurton, tous les objets qui ont une température non nulle émettent un rayonnement thermique dans la partie infrarouge du spectre, et l'intensité de ce rayonnement est proportionnelle à sa température.

Le rayonnement thermique est toujours présent dans l'environnement, que ce soit le jour ou la nuit, c'est pourquoi l'armée utilise des caméras thermiques pour voir des objets qui sont souvent cachés dans l'obscurité.

Cependant, en plus de l'intensité du rayonnement infrarouge, il y a une autre caractéristique de la lumière qui est souvent ignorée en matière d'imagerie :l'état de polarisation.

"Les chercheurs savent depuis environ 30 ans que les objets fabriqués par l'homme émettent un rayonnement thermique partiellement polarisé, par exemple, camions, avion, immeubles, Véhicules, etc., et que les objets naturels comme l'herbe, sol, les arbres et les buissons ont tendance à émettre un rayonnement thermique qui présente très peu de polarisation, " a déclaré Gurton. "Nous avons développé, avec l'aide du secteur privé, un type spécial de caméra thermique qui peut enregistrer des images basées uniquement sur l'état de polarisation de la lumière plutôt que sur l'intensité. Ces informations polarimétriques supplémentaires permettront aux soldats de voir des objets cachés qui n'étaient auparavant pas visibles lors de l'utilisation de caméras thermiques conventionnelles."

Gurton poursuit le développement du matériel de la caméra, tandis que Hu travaille sur un logiciel conçu pour exploiter au mieux les informations supplémentaires fournies par l'imagerie polarimétrique thermique.

Selon Gurton, alors que l'armée a toujours eu un programme d'imagerie thermique conventionnel robuste, ses efforts sont une progression naturelle tentant de faire progresser la technologie davantage.

"Les applications spécifiques aux soldats que nous avons étudiées incluent la détection de fils-pièges cachés et de pièges, capacité améliorée de voir des cibles camouflées, identification des mines terrestres enfouies et des engins explosifs improvisés, et un ciblage et un suivi améliorés des missiles, mortiers, véhicules aériens sans pilote et autres menaces aériennes, " dit Gurton.

La découverte la plus récente et la plus excitante de l'équipe implique la capacité de détecter et d'identifier des sujets humains spécifiques dans l'obscurité totale.

"Avant nos recherches à l'ARL, la seule façon de voir les humains la nuit était d'utiliser l'imagerie thermique conventionnelle, " dit Gurton. " Malheureusement, une telle imagerie est en proie à un effet de "fantôme" dans lequel les caractéristiques faciales détaillées requises pour l'identification humaine sont perdues. Cependant, lorsque des informations de polarisation sont incluses dans l'image thermique, c'est à dire., une image polarimétrique thermique, de fins détails du visage émergent, qui permet d'appliquer des algorithmes de reconnaissance faciale."

En raison de la difficulté technique de construction des systèmes de caméras polarimétriques thermiques, très peu de recherches avaient été menées avant l'implication de Gurton et Hu dans l'étude de ce nouveau phénomène à partir de 2005.

« Notre objectif principal était de développer un nouveau type de système de caméra capable de détecter des objets difficiles, ou impossible, à voir à l'aide de caméras thermiques à la pointe de la technologie, " dit Gurton.

« Nous travaillons avec le secteur privé sur une approche à deux volets dans laquelle des caméras polarimétriques de qualité recherche et robustes de qualité commerciale sont en cours de développement, " dit Gurton. " C'est notre espoir qu'à l'avenir, tous les systèmes d'imagerie thermique déployés par le ministère de la Défense auront une capacité polarimétrique qui peut être mise en œuvre d'une simple pression sur un bouton. »

Le principal partenaire du secteur privé des chercheurs traitant de l'imagerie polarimétrique est Polaris Sensor Technologies, Inc., à Huntsville, Alabama.

La relation entre ARL et Polaris a été officialisée par le programme de recherche sur l'innovation des petites entreprises de l'armée.

"L'objectif de la relation avec Polaris est de surmonter tous les problèmes techniques qui ont entravé les tentatives précédentes d'une nouvelle caméra thermique, et nous avons réussi depuis la mise en œuvre de cette nouvelle technologie, " dit Gurton.

"Peu de temps après avoir été embauché à l'ARL en tant que physicien expérimental en 1998, J'ai hérité d'un tas de vieilles caméras thermiques vintage des années 1980 d'un scientifique à la retraite, " a déclaré Gurton. "Je me suis intéressé à l'étude du rayonnement thermique et je voulais faire quelque chose de nouveau et de nouveau, et cela n'avait pas été étudié de manière exhaustive. J'ai trouvé plusieurs vieux papiers techniques des années 1980 décrivant des tentatives infructueuses de mise en œuvre de l'imagerie polarimétrique thermique."

Lorsque Gurton s'est entretenu avec les divers ingénieurs du secteur privé et du ministère de la Défense qui ont participé aux efforts antérieurs, ils ont déclaré que les problèmes qui ont limité les tentatives passées étaient dus à une conception trop complexe, ce qui a conduit à d'importantes erreurs de repérage des pixels, ce qui a rendu les systèmes inutiles.

« Nous avons tiré ces leçons et j'ai signé mon premier contrat de recherche en innovation pour les petites entreprises avec le Dr David Chenault de SY Technologies, maintenant président de Polaris Sensor Technologies, " dit Gurton.

Les principaux problèmes avec les efforts antérieurs étaient doubles. D'abord, les premiers efforts étaient beaucoup trop complexes, elle a dit.

"Tôt, les chercheurs ont tenté de placer des micro-polariseurs sur des pixels individuels de la taille d'un micron du réseau de plan focal infrarouge, ou FPA, " a déclaré Gurton. " Les FPA et la technologie des polariseurs à micro-pixels dans les années 80 et 90 étaient assez simples. Lors de mon premier contrat, J'ai insisté sur une approche KISS, par exemple, reste simple stupide, et j'ai insisté pour que les entreprises concurrentes évitent l'approche dite des micropixels et proposent des concepts très simples afin de produire un système de caméra polarimétrique thermique calibré de qualité recherche qui fonctionnerait réellement. Pour ce nouveau design, nous avons opté pour une approche d'élément rotatif simple, qui est encore l'étalon-or aujourd'hui."

Le deuxième problème concernait le mauvais enregistrement des images qui tourmentait les systèmes antérieurs, elle a dit.

"En général, une image polarimétrique est en fait une soustraction de deux images parfaitement recalées, " dit Gurton. " Si les deux images sont légèrement mal enregistrées, ça ne marchera pas. Nous nous sommes fixé un objectif d'un degré minimum d'enregistrement manqué de 1/10 de pixel qui devait être atteint. Actuellement, Technologies des capteurs Polaris, Inc., développer régulièrement des systèmes qui ont moins de 1/20 de mauvais enregistrement de pixels."

Gurton a déclaré qu'elle pensait que l'avenir de la commercialisation impliquerait la mise en œuvre de l'approche FPA micro-pixel précédente qui s'est avérée si difficile, et est toujours extrêmement difficile techniquement.

Malgré les difficultés, Polaris a produit avec succès une caméra basée sur des micropixels utilisant des microbolomètres non refroidis et en fait la démonstration lors de tests sur le terrain de l'armée et sur des drones.

En ce qui concerne les prochaines étapes pour mener à bien cette technologie, Gurton et les autres chercheurs travaillent activement à miniaturiser la plate-forme de caméra et à rendre les systèmes plus abordables.