在雾中测试传感器以使未来的运输更安全

可以在雾中安全运行的自动飞行无人机和自动出租车可能听起来很有未来感，但桑迪亚国家实验室雾设施的新研究正在让未来更加接近。

当人和传感器都难以检测到物体时，雾会使水、空气和陆地旅行变得危险。桑迪亚雾设施的研究人员正在通过计算成像方面的新光学研究以及与从事 Advanced Air Mobility、Teledyne FLIR 和其他研究的 NASA 研究人员合作来应对这一挑战，以测试可根据需要测量和重复生产的定制雾中的传感器。

桑迪亚的雾室建于 2014 年，长 180 英尺，高 10 英尺，宽 10 英尺。房间内衬有塑料布以捕获雾气。当团队开始测试时，64 个喷嘴喷出定制的水和盐混合物时发出嘶嘶声。随着喷雾的扩散，湿度增加并形成浓雾。很快，里面的观察者将无法通过气溶胶看到墙壁、天花板或入口，几英尺外的人和物体将被遮挡或完全隐藏。

桑迪亚的研究人员仔细测量了雾的特性，以了解它是如何形成和变化的。通过调整环境参数，研究人员可以改变雾的特性以更好地匹配自然产生的雾。

“我们的团队可以测量并完全表征我们在设施中产生的雾气，并且我们可以在不同的日子反复产生类似的雾气，”化学工程师 Andres Sanchez 说。 “在我们测试传感器在雾中的表现时，拥有一致且可测量的条件非常重要。”

美国宇航局艾姆斯研究中心的研究人员最近访问了桑迪亚，进行了一系列实验，以测试商用传感器如何感知雾中的障碍物。 Revolutionary Aviation Mobility 小组是 NASA 转型工具和技术项目的一部分。

“我们测试了可能用于自动飞行器的感知技术，”该项目的美国宇航局首席工程师尼克克莱默说。 “我们希望确保这些车辆能够在我们的领空安全运行。这项技术将取代飞行员的眼睛，我们需要能够在各种天气条件下做到这一点。”

该团队在舱内设置了一架静止的无人机作为目标，然后测试了各种传感器，看看它们对雾中无人机的感知能力。

“桑迪亚国家实验室的雾室对于这项测试非常重要，”克莱默说。 “它使我们能够真正调整参数并查看长距离的变化。我们可以复制与航空航天环境相关的长距离和各种类型的雾。” Cramer 表示，自动飞行技术的挑战之一是会有很多小型车辆在附近飞行。

Teledyne FLIR 已经在桑迪亚的雾设施测试了自己的红外摄像机，以确定它们检测和分类行人和其他物体的能力。 Teledyne FLIR 的汽车工程总监 Chris Posch 表示，这些摄像头可用于提高当今车辆的安全性，并具有先进的驾驶员辅助系统功能，例如自动紧急制动和未来的自动驾驶车辆。

“雾测试在自然界中很难进行，因为它是如此短暂，并且通常在水滴大小、雾或雾的一致性和可重复性方面存在许多固有差异，”Posch 说。 “由于桑迪亚雾设施可以反复制造各种含水量和大小的雾，因此该设施对于以彻底的科学方式收集测试数据至关重要。”

Sandia 和 Teledyne FLIR 对车辆安全传感器进行了多项性能测试，包括可见光摄像机、长波红外摄像机、中波红外摄像机、短波红外摄像机和激光雷达。 Posch 表示，结果表明，Teledyne FLIR 的长波红外相机可以准确地检测和分类大多数雾中的行人和其他物体，而可见光相机在这些领域受到挑战。

桑迪亚的一个研究小组最近在 Optics Express 上发表了一篇论文，描述了一项为期三年的项目的当前结果，该项目使用计算成像和光如何在雾中传播和散射的科学来创建算法，使传感器能够检测、定位和成像物体雾。

“目前通过雾和散射光观察的方法成本高昂，而且可能受到限制，”电气工程师兼项目负责人 Brian Bentz 说。 “我们正在利用我们对光在雾中如何传播和散射的了解来提高感知和态势感知能力。”

电气工程师兼项目负责人 Brian Bentz 表示，该团队已经模拟了光如何通过雾传播到物体和检测器（通常是相机中的一个像素），然后反转该模型以估计光的来源和特征目的。通过改变模型，这种方法可以用于可见光或热光。 Bentz 说，该团队已经使用该模型来检测、定位和表征雾中的物体，并将在项目的最后一年对物体进行成像。