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Nueva tecnología para ver en completa oscuridad

Investigadores del Laboratorio de Investigación del Ejército de Estados Unidos han desarrollado un nuevo tipo de cámara de imágenes térmicas, que permite a los soldados ver objetos ocultos que antes eran indetectables.

El Dr. Kristan Gurton, físico experimental de la Dirección de Ciencias Computacionales y de la Información, y el Dr. Sean Hu, ingeniero electrónico de la Dirección de Sensores y Dispositivos Electrónicos, dirigen este trabajo.

Según Gurton, todos los objetos que tienen una temperatura distinta de cero, emiten radiación térmica en la parte infrarroja del espectro, y la intensidad de esa radiación es proporcional a su temperatura.

La radiación térmica está siempre presente en el ambiente, independientemente de que sea de día o de noche, por lo que el Ejército utiliza cámaras térmicas para ver objetos que a menudo se esconden en la oscuridad. Sin embargo, además de la intensidad de la radiación infrarroja, hay otra característica de la luz que a menudo se ignora cuando se trata de imágenes: el estado de polarización.

“Los investigadores saben desde hace unos 30 años, que los objetos hechos por el hombre emiten radiaciones térmicas parcialmente polarizadas, por ejemplo, camiones, aviones, edificios, vehículos, etc., y que los objetos naturales como la hierba, el suelo, los árboles y los arbustos tienden a emitir radiaciones térmicas que exhiben muy poca polarización”, dijo Gurton. “Hemos estado desarrollando, con la ayuda del sector privado, un tipo especial de cámara térmica que puede grabar imágenes, basadas únicamente en el estado de polarización de la luz y no en la intensidad. Esta información polarimétrica adicional permitirá ver objetos ocultos que antes no eran visibles con las cámaras térmicas convencionales”.

De acuerdo con Gurton, el Ejército siempre ha tenido un programa de imagen térmica convencional robusto, por lo que su trabajo no es más que un paso más, con el que intenta avanzar más la tecnología.

“Las aplicaciones específicas para soldados que hemos estado investigando incluyen la detección de cables de trampa y trampas explosivas ocultas, mayor capacidad para ver objetivos camuflados, identificación de minas terrestres enterradas y artefactos explosivos improvisados, y mejor puntería con misiles, morteros, vehículos aéreos no tripulados y otras amenazas aerotransportadas”, dijo Gurton.

El descubrimiento más reciente y sorprendente del equipo es la capacidad de detectar e identificar sujetos humanos específicos durante la oscuridad total.

“Antes de nuestra investigación en el ARL, la única manera de ver a los humanos de noche era usar imágenes térmicas convencionales”, dijo Gurton. “Desafortunadamente, tales imágenes están plagadas de un efecto de “fantasma”, por el que se pierden los rasgos faciales detallados requeridos para la identificación humana. Sin embargo, cuando la información de polarización se incluye en la imagen térmica, es decir, una imagen térmica polarimétrica, surgen detalles faciales finos que permiten aplicar algoritmos de reconocimiento facial”.

Debido a la dificultad técnica en la construcción de sistemas de cámaras térmicas polarimétricas, se había realizado muy poca investigación antes de la participación de Gurton y Hu en el estudio de este nuevo fenómeno a partir de 2005. “Nuestro objetivo principal era desarrollar un nuevo tipo de sistema de cámaras que pueda detectar objetos, difíciles, o imposibles de ver, utilizando las cámaras térmicas de última generación”, dijo Gurton.

“Estamos trabajando con el sector privado en un doble enfoque, en el que se están desarrollando cámaras polarimétricas para investigación y cámaras polarimétricas comerciales robustas”, dijo Gurton. “Esperamos que, en el futuro, todos los sistemas de imágenes térmicas del Departamento de Defensa tengan una capacidad polarimétrica que pueda ser activada con sólo apretar un botón.”

El principal socio del sector privado de los investigadores que se ocupa de la imagenología polarimétrica es Polaris Sensor Technologies, Inc. en Huntsville, Alabama, conquien se ha formalizado una relación a través del programa de Investigación de Innovación en Pequeñas Empresas del Ejército. “El objetivo de la relación es superar los problemas técnicos que plagaron los intentos anteriores de crear una nueva cámara de imágenes térmicas, y hemos solucionado con éxito desde que implementamos esta nueva tecnología”, dijo Gurton.

“Poco después de haber sido contratado en la ARL como físico experimental en 1998, heredé un montón de cámaras térmicas antiguas de la década de 1980 de un científico retirado”, dijo Gurton. “Me interesé por el estudio de la radiación térmica y quise hacer algo nuevo y novedoso, que no había sido estudiado exhaustivamente. Encontré varios documentos técnicos de la década de 1980 que describían intentos fallidos de implementar imágenes térmicas polarimétricas”.

Cuando habló con los distintos ingenieros, tanto del sector privado como del Departamento de Defensa, que participaron en los trabajos anteriores, informaron de que los problemas que limitaron sus intentos se debieron a un diseño demasiado complejo, lo que condujo a importantes errores de registro erróneo de píxeles, lo que hizo que los sistemas fueran inútiles.

“Al principio, los investigadores intentaron colocar micropolarizadores en píxeles individuales de tamaño micrométrico de la matriz de plano focal infrarrojo, o FPA”, dijo Gurton. “Tanto la tecnología de los FPAs como la de los polarizadores de micro-píxeles en los años 80 y 90 no era muy sofisticada. Durante mi primer contrato, hice hincapié en un enfoque KISS, por ejemplo, e insistí en que las empresas vitaran el llamado enfoque de micropixel y propusieran conceptos muy simples, con el fin de producir un sistema de cámara polarimétrica térmica calibrada para investigación que realmente funcionara. Para este nuevo diseño, nos decidimos por un sencillo enfoque de elementos giratorios, que sigue siendo el estándar de oro en la actualidad”.

El segundo problema se relaciona con el registro incorrecto de imágenes que plagaban los sistemas anteriores, dijo.

En general, una imagen polarimétrica es en realidad una abstracción de dos imágenes perfectamente registradas”, dijo Gurton. “Si las dos imágenes están ligeramente mal registradas, no funcionará. Nos fijamos el objetivo de un grado mínimo de error de registro de 1/10 de un píxel que debía cumplirse. Actualmente, Polaris Sensor Technologies, Inc. desarrolla rutinariamente sistemas que tienen menos de 1/20 píxeles mal registrados”.

Gurton dijo que cree que el futuro de la comercialización implicará la implementación del anterior enfoque de FPA de micropixel, que resultó ser tan difícil, y que sigue siendo un desafío técnico extremo.

A pesar de las dificultades, Polaris ha producido con éxito una cámara basada en micropixeles utilizando microbolómetros no refrigerados y lo está demostrando en pruebas de campo del Ejército y en aviones no tripulados.

En términos de los próximos pasos para llevar esta tecnología a buen término, Gurton y los demás investigadores están trabajando activamente para miniaturizar la plataforma de la cámara y hacer que los sistemas sean más asequibles.

Para obtener información sobre esta investigación, incluidas las publicaciones disponibles, póngase en contacto con el Dr. Kris Gurton en kristan.p.gurton.civ@mail.mil.

Fte. Army.mil

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