在雾中测试传感器，使未来交通更加安全

美国桑迪亚国家实验室的研究人员提出了一个基于弱角度相关近似的模型，该模型似乎适用于中等和高度散射状态，涵盖小角度近似和扩散近似的适用范围。研究人员通过调整环境参数，可以改变雾的特性，以更好地匹配自然产生的雾。相关研究发表在《Optics Express》。

图1，Andres Sanchez（左）、Jeremy Wright（中）和Brian Bentz准备在桑迪亚国家实验室的雾设备进行光学测试。Bentz正在领导一个为期三年的项目，利用计算成像技术探测、定位和成像雾中的物体。该张照片是2019冠状病毒疾病前拍摄的。

能够在雾中安全运行的自动驾驶无人机和自动出租车听起来可能有些未来主义，但桑迪亚国家实验室雾中设施的新研究正在使未来更加接近。

当人们和传感器都很难探测到物体时，雾会使水上、空中和陆地旅行变得危险。桑迪亚的雾设备研究人员正在通过计算成像方面的新光学研究，以及通过与美国宇航局从事先进空气流动性、Teledyne FLIR和其他方面的研究人员合作，在定制的雾中测试传感器来应对这一挑战，这些雾可以根据需要进行测量和重复生产。

光学工程师杰里米·赖特（Jeremy Wright）说：“改进光学传感器，通过雾更好地感知和识别物体，以保护人类生命，防止财产损失，并实现新技术和新功能，这一点非常重要。”

桑迪亚的雾设备建于2014年，长180英尺，高10英尺，宽10英尺。房间里衬着塑料布以防雾。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，湿度增大，浓雾形成。很快，室内的观察者将无法通过气溶胶看到墙壁、天花板或入口，几英尺以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随时间变化的特性，以了解雾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。化学工程师安德烈斯·桑切斯（Andres Sanchez）说：“我们的团队可以测量并完全描述我们在工厂产生的雾，我们可以在不同的日子重复产生类似的雾。”“当我们测试传感器在雾中的性能时，具有一致且可测量的条件非常重要。”

实现自动驾驶车辆、飞机和无人机的全天候安全运行

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。革命性的航空机动性小组是美国宇航局转型工具和技术项目的一部分。“我们测试了可能进入自动飞行器的感知技术，”美国宇航局负责该项目的首席工程师尼克·克拉默说。“我们希望确保这些飞行器能够在我们的空域安全运行。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。”

研究小组在室内设置了一个固定的无人机作为目标，然后测试了各种传感器，以了解他们在雾中对无人机的感知能力。

“桑迪亚国家实验室的雾室对这项测试非常重要，”克拉默说。“它使我们能够真正调整参数并观察远距离的变化。我们可以复制与航空航天环境相关的远距离和各种类型的雾。”他说，“自动飞行技术的挑战之一是将有许多小型飞行器在近距离飞行。我们需要能够发现并避免这些小型车辆，这些测试的结果将使我们能够深入了解目前感知技术在转向自动驾驶汽车方面的差距。”

雾设备有助于验证技术

Teledyne FLIR在桑迪亚的雾设备测试了自己的红外摄像机，以确定它们对行人和其他物体的检测和分类效果。Teledyne FLIR汽车工程总监克里斯·波什（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，如自动紧急制动和未来的自动驾驶车辆。

波什说：“雾测试在自然界是非常困难的，因为它是如此短暂，并且在水滴大小、雾或雾的一致性和可重复性方面存在许多固有的差异。”“由于桑迪亚雾设备可以反复产生不同含水量和大小的雾，因此该设施对于以彻底科学的方式收集测试数据至关重要。”

桑迪亚和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。

波什说，研究结果表明，Teledyne FLIR的长波红外摄像机能够准确地检测和分类大多数雾中的行人和其他物体，而在这些雾中，可见光摄像机面临挑战。

通过雾对目标进行检测、定位和成像的新研究

桑迪亚大学的一个研究小组最近在《Optics Express》上发表了一篇论文，描述了一个为期三年的项目的最新成果，该项目利用计算成像技术和光在雾中传播和散射的科学，创建算法，使传感器能够检测、定位和成像雾中的物体。

电气工程师兼项目负责人布赖恩·本茨说：“目前通过雾和散射光进行观察的方法成本高昂，而且可能受到限制。我们正在利用我们所知道的光在雾中如何传播和散射的知识来提高感知和态势感知能力。”

研究小组已经对光线如何通过雾传播到物体和探测器（通常是相机中的一个像素）进行了建模，然后将该模型反转，以估计光线来自何处以及物体的特征。通过改变模型，这种方法可以用于可见光或热光。该团队已经使用该模型来探测、定位和描述雾中的物体，并将在项目的最后一年对物体进行成像。该团队一直在使用桑迪亚的雾设备进行实验验证。

桑迪亚正在研究和表征其新型台式雾室产生的雾，而普渡大学正在使用其双系统进行实验。

普渡大学教授凯文·韦伯（Kevin Webb）正在领导一项研究，开发一种基于光散射时如何干扰自身的成像技术，并利用这些效应检测物体。

桑迪亚团队最近在SPIE和CLEO上展示了他们的工作。计算成像和学术联盟研究由实验室指导的研究和开发提供资金。

桑迪亚国家实验室是由桑迪亚LLC的国家技术和工程解决方案运营的多任务实验室，桑迪亚LLC是霍尼韦尔国际公司的全资子公司，隶属于美国能源部国家核安全管理局。桑迪亚实验室在核威慑、全球安全、国防、能源技术和经济竞争力方面负有主要的研发责任，主要设施位于新墨西哥州阿尔伯克基和加利福尼亚州利弗莫尔。