Στέργιος Μπάρμπας
Μηχανολόγος Μηχανικός ΕΜΠ, MSc Systems Engineering NPS | Αξιωματικός Τεχνικού Σώματος
Βασίλειος Μηλιώτης
Director of Business Development Defense @ Bianor Services | CEO @ MSB Technologies | Δρ UPC BarcelonaTech, MBA Imperial College London, Μηχανικός ΣΜΑ
Οι ηλεκτροπτικοί (Η/Ο) αισθητήρες αποτελούν συσκευές που μετατρέπουν την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία σε ηλεκτρικό σήμα, λειτουργώντας στο υπεριώδες, ορατό, ή υπέρυθρο τμήμα του φάσματος. Μία από τις συνήθεις εφαρμογές τους αποτελεί η καταγραφή και απεικόνιση εικόνας, με στόχο τον εντοπισμό, αναγνώριση, και παρακολούθηση στόχων ενδιαφέροντος. Οι κοινοί Η/Ο αισθητήρες συλλέγουν δεδομένα σε ένα ενιαίο και ευρύ τμήμα του φάσματος ή σε έναν περιορισμένο αριθμό εξίσου ευρέων φασματικών περιοχών, παρέχοντας πληροφορία, το μέγεθος της οποίας εξαρτάται από την ένταση της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας η οποία προσπίπτει σε αυτούς. Στην περίπτωση αισθητήρων που λειτουργούν στο ορατό τμήμα του φάσματος, μία χαρακτηριστική απόκρισή τους για τις δύο περιπτώσεις (μονοχρωματικός και RGB) παρουσιάζεται στις Εικόνες 1 και 2 αντίστοιχα.
Εικόνα 1: Καμπύλη φασματικής απόκρισης μονοχρωματικού αισθητήρα [1]
Εικόνα 2: Καμπύλες απόκρισης RGB αισθητήρα [1]
Σε αντίθεση με του κοινούς Η/Ο αισθητήρες, οι πολυφασματικοί αισθητήρες χρησιμοποιούν πολλαπλές φασματικές περιοχές περιορισμένου εύρους με στόχο της καταγραφή τεσσάρων ή περισσοτέρων τμημάτων του φάσματος [2]. Με τον τρόπο αυτόν επιτυγχάνεται η καταγραφή πληροφορίας σχετικά με την προσπίπτουσα ακτινοβολία στον αισθητήρα σε ένα πολύ συγκεκριμένο τμήμα του φάσματος, εύρους της τάξης των δεκάδων nm. Στην Εικόνα 3 παρουσιάζονται οι φασματικές περιοχές που καταγράφονται από έναν κοινό πολυφασματικό αισθητήρα χαμηλού κόστους.
Εικόνα 3: Φασματικές περιοχές πολυφασματικού αισθητήρα RedEdge-P [3]
Η ικανότητα των πολυφασματικών αισθητήρων για καταγραφή της προσπίπτουσας σε αυτούς ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας σε πολλαπλές στενές φασματικές περιοχές παρέχει τη δυνατότητα ανάλυσης των εικόνων που καταγράφονται με βάση την διαφοροποίηση της ανακλαστικότητας των υλικών ως συνάρτηση της συχνότητας της ακτινοβολίας, όπως αυτή παρουσιάζεται για συγκεκριμένα υλικά στην Εικόνα 4. Παρέχεται λοιπόν η δυνατότητα για καταγραφή της «φασματικής υπογραφής» ενός υλικού, η οποία επιτρέπει μέσω της εφαρμογής αλγορίθμων σύνθεσης εικόνων από δύο φασματικές περιοχές την δημιουργία αντίθεσης (contrast) μεταξύ αυτού και του περιβάλλοντος (π.χ. στόχου και περιβάλλοντος), ικανής για την επιτυχή αναγνώριση στόχων ενδιαφέροντος. Ένας από τους πλέον διαδεδομένους αλγορίθμους, με ευρεία χρήση στην γεωργία αποτελεί ο NDVI (Normalized Difference Vegetation Index), ο οποίος εκμεταλλεύεται την σημαντική διαφορά στην ανακλαστικότητα των φυτών στο εγγύς υπέρυθρο και στο κόκκινο τμήμα του φάσματος για την απεικόνιση της υγείας των καλλιεργειών.
Εικόνα 4: Φασματική ανακλαστικότητα υλικών [4]
Οι πολυφασματικοί αισθητήρες χρησιμοποιούνται σε στρατιωτικές εφαρμογές ISR, παρόλα αυτά περιορίζονται κυρίως σε πλατφόρμες υψηλού κόστους (π.χ. MQ-9 Reaper) οι οποίες χρησιμοποιούνται στο επιχειρησιακό και στρατηγικό επίπεδο επιχειρήσεων. Παρόλα αυτά η ευρεία χρήση τους σε πολιτικές εφαρμογές και κυρίως στη γεωργία έχει οδηγήσει στη μείωση του κόστους των διαθέσιμων μικρών εμπορικών πολυφασματικών αισθητήρων, σε επίπεδα κάτω των δέκα χιλιάδων ευρώ. Επιπρόσθετα οι αισθητήρες αυτοί σχεδιάζονται με βασική απαίτηση τη δυνατότητα ενσωμάτωσης σε ποικιλία Συστημάτων μη Επανδρωμένων Αεροσκαφών (ΣμηΕΑ). Αυτό το γεγονός επιτρέπει την ενσωμάτωση και χρήση τους σε στρατιωτικά ΣμηΕΑ χαμηλού κόστους τα οποία εκτελούν αποστολές ISR στο τακτικό επίπεδο, παρέχοντας αυξημένες ικανότητες στους τοπικούς διοικητές.
Δύο από τις σημαντικότερες νέες ικανότητες που παρέχει η χρήση πολυφασματικών αισθητήρων στο τακτικό επίπεδο αποτελούν η αναγνώριση στόχων υπό κάλυψη και απόκρυψη, καθώς και η αναγνώριση διαταραχών στο πεδίο μάχης που προκαλούνται από πρόσφατη τοποθέτηση ναρκών ή γενικότερα εκσκαφή εδάφους. Η ικανότητα των πολυφασματικών αισθητήρων, μέσω της χρήσης κατάλληλων αλγορίθμων, να παρέχουν αντίθεση μεταξύ υλικών διαφορετικού τύπου επιτρέπει την αναγνώριση τεχνιτών υλικών, όπως οχημάτων αλλά και διχτυών παραλλαγής, τα οποία βρίσκονται καλυμμένα κάτω ή πλησίον βλάστησης. Επιπρόσθετα η διαφοροποίηση της ανακλαστικότητας του διαταραγμένου χώματος από το γύρω περιβάλλον επιτρέπει την αναγνώριση σημείων στα οποία έχουν τοποθετηθεί νάρκες ή για οποιοδήποτε λόγο έχουν εκτελεστεί χωματουργικές εργασίες.
Πρόσφατη μελέτη η οποία εξέτασε τον εντοπισμό παραλλαγμένων στόχων και διαταραχών πεδίου μάχης από εμπορικούς πολυφασματικούς αισθητήρες, ενσωματωμένων σε μικρό ΣμηΕΑ, έδειξε ότι αυτή είναι δυνατή σε ύψη πτήσης 50 και 100 μέτρων πάνω από το έδαφος για μεγάλο εύρος περιπτώσεων [5]. Στην Εικόνα 5 παρουσιάζεται η εικόνα ενός παραλλαγμένου στόχου κάτω από βλάστηση στο ορατό φάσμα και με χρήση δύο αλγορίθμων σύνθεσης των φασματικών περιοχών. Στην Εικόνα 6 παρουσιάζεται αντίστοιχη εικόνα για δύο στόχους που προσομοιώνουν πρόσφατα τοποθετημένες νάρκες.
Εικόνα 5: Απεικόνιση στόχου κάτω από βλάστηση από ύψος 50m [5]
Εικόνα 6: Απεικόνιση προσομοίωσης πρόσφατα τοποθετημένης νάρκης από ύψος 100m [5]
Μία άλλη δυνατότητα που μπορούν να παρέχουν οι πολυφασματικοί αισθητήρες, είναι ο εντοπισμός, αναγνώριση και κατηγοριοποίηση στόχων με χρήση αποκεντρωμένης Tεχνητής Nοημοσύνης (edge AI) σε περιπλανόμενα πυρομαχικά (loitering munitions). Η δυνατότητα αυτή παρέχει μια σημαντική εξέλιξη στις τακτικές στρατιωτικές επιχειρήσεις, επιτρέποντας την ακριβή αναγνώριση και εμπλοκή στόχων χωρίς άμεσο ανθρώπινο έλεγχο. Αξιοποιώντας το edge AI, αυτά τα συστήματα μπορούν να επεξεργάζονται γρήγορα δεδομένα αισθητήρων για να εντοπίσουν και να προσβάλλουν στόχους αυτόνομα, μειώνοντας σημαντικά τους χρόνους απόκρισης σε σενάρια μάχης.
Ωστόσο, η ανάπτυξη τέτοιων αυτόνομων συστημάτων εγείρει σημαντικές νομικές και ηθικές ανησυχίες. Η απουσία ενός «ανθρώπου στη μέση» για τη λήψη τελικών αποφάσεων σχετικά με τους στόχους εμπλοκής αμφισβητεί τους παραδοσιακούς στρατιωτικούς κανόνες και τα νομικά πλαίσια σχετικά με τη λογοδοσία και τη λήψη αποφάσεων στον πόλεμο. Η πιθανότητα σφαλμάτων ή λανθασμένης αναγνώρισης χωρίς ανθρώπινη επίβλεψη μπορεί να έχει σημαντικές ηθικές συνέπειες της χρήσης της τεχνητής νοημοσύνης σε θανατηφόρους ρόλους μάχης. Αν και το αξίωμα “Όλα είναι δίκαια στην αγάπη και στον πόλεμο” μπορεί να αντικατοπτρίζει μια ιστορική πραγματικότητα από τις βάναυσες συγκρούσεις του παρελθόντος, στον σύγχρονο πόλεμο, η ενσωμάτωση προηγμένων τεχνολογιών όπως η τεχνητή νοημοσύνη στα οπλικά συστήματα απαιτεί προσεκτική επανεξέταση των ηθικών προτύπων και των νομικών περιορισμών ώστε να εξασφαλίζεται η υπεύθυνη χρήση προηγμένων τεχνολογιών καθώς και η λογοδοσία [6].
Bibliography
[1] Lucid Vision Labs, “Understanding the Digital Image Sensor,” n.d.. [Online]. Available: https://thinklucid.com/tech-briefs/understanding-digital-image-sensors/. [Accessed 20 April 2023].
[2] R. Harney, Combat Systems Engineering, Volume 1: Sensors Signals and Functions, Monterey, CA: Naval Postgraduate School, 2013.
[3] AgEagle, “RedEdge-P,” n.d.. [Online]. Available: https://ageagle.com/drone-sensors/rededge-p-high-res-multispectral-camera/. [Accessed 30 Apr 2023].
[4] J. R. Jensen, Remote Sensing of the Environment: An Earth Resource Perspective, Essex, UK: Prentice Hall, 2007.
[5] S. Barmpas, “Integration of COTS UAS with Multispectral Imaging Sensors to Detect Camouflaged Targets and Battlefield Anomalies,” Naval Postgraduate School, Monterey, 2023.
[6] J. Davis, “The ethics of AI in Warfare,” Naval Postgraduate School, Monterey, 2022.
