Welcome-球速体育直升机避障激光雷达系统研究

　　球速体育直升机是一种便捷、高效的飞行器，具备优良的低空飞行特性和起降方便等优势，在侦察测绘、物资运输、抗灾救援等军用、民用领域得到了广泛地应用。受到直升机自身结构特征和低空复杂的地形环境影响，直升机平台的生存能力较差。威胁直升机自身安全的一个重要因素就是在山地、高原、沙漠、森林等复杂地形条件下，或遇到雨雪、沙尘、大雾等导致的低能见度条件下，直升机的起飞、飞行、降落、着陆的环境充满未知性，驾驶员的视觉能力受到严重限制，无法快速有效的了解机身外部环境，无法对航迹上的树林、电线、塔楼等危险目标和障碍进行有效的规避，从而导致事故的发生。这些威胁对直升机的生存安全提出了重大挑战，是直升机生存能力提升的重要瓶颈问题。2009年美国国防部的《航空安全技术报告》中指出“由沙尘和云雾造成的不良视觉环境造成空军旋翼飞机几乎一半的损失，这也是陆军飞机损失的首要原因”。

　　由此可见，提升直升机在低能见度复杂视觉环境下的探测能力，使其具备更加高效的探测和环境感知能力，能够大大提升直升机平台的生存能力。激光雷达基于激光探测和脉冲测距原理进行目标三维信息的获取，已经越来越广泛的应用于对地测绘、目标三维成像、目标识别以及车载导航避障等领域。相较于微波雷达，激光雷达系统由于波长远短于微波波段，具有高空间分辨率、高测量精度、低功耗、体积小、重量轻等优点，具有对视场范围内电线和对航迹上障碍物等目标三维探测的能力，已经被国际上多个研究机构验证是一种行之有效的探测手段，是现代直升机视景增强系统（enhanced vision system，EVS）的重要传感器之一，具备对恶劣天气的穿透能力，能够实时获取机身周围环境的三维信息，非常适合在低能见度和复杂地形条件下，直升机平台的航行避障和着陆导航应用。

　　直升机避障激光雷达系统主要用于在山地、高原、沙漠等复杂地形地貌环境下，以及遇到大雾、沙尘、雨雪等低能见度恶劣视觉条件时，对直升机的飞行和着陆环境进行探测，识别线缆、电杆、树木、峡谷等危险目标，为飞行员提供简单、易理解的避障信息。该系统能够为直升机在恶劣视觉条件下的低空飞行、着陆提供保障，其主要功能包括：

　　直升机避障的工作流程大体相似，在飞行巡航过程中航速约为100 kts（182km/h），飞行高度大于100m；在预备降落阶段，飞行高度下降至50～100m，速度50kts（91km/h），距离着陆区域500m左右，对目标区域进行地形探测；初步确定着陆区域后，飞行高度下降至30m，航速25 kts（46km/h），对目标区域进行近距离探测，确定无障碍后降落至该区域。图 2是国外典型直升机避障激光雷达系统的工作流程示意图。

　　根据直升机平台的任务需求，激光雷达系统的主要工作模式可分为着陆导航，巡航避障，沙尘、雨雪穿透3个模式。着陆导航主要应用于直升机着陆阶段对于地面着陆区域的选取，对电线、电杆等障碍物的告警和避让，具备昼夜工作和低能见度工作能力；巡航避障模式主要应用于直升机平台在低空巡航过程中对前视方向上障碍物的告警和避让，需要具备极高的实时性；沙尘、雨雪穿透工作模式主要应用于在各种恶劣气候、环境条件下的三维视觉导航，目前的主要应用方向还是着陆导航，不同之处在于此时系统的工作距离受到衰减。3种工作模式的工况分析如表1所示。

　　直升机避障激光雷达的探测原理基于激光脉冲飞行时间探测，通过测量激光发射主波和目标散射回波信号的时间间隔Δt，实现目标距离R的高精度测量。现有的激光雷达系统都采用了激光探测和二维扫描结合的技术方案，基本结构如图 3所示，主要由二维扫描器、收发光学系统、激光器、APD探测器、信号放大与处理电路、主控与数据解算电路组成。激光雷达的系统采用高重频的激光器产生窄脉宽激光脉冲，经过激光发射光学系统发射出去；二维扫描器负责将发射激光指向精确的探测方位，通过扫描实现目标区域遍历成像；目标返回的激光信号经过收发光学系统汇聚到焦面的APD探测器上，并由信号放大与处理电路进行光电转换、放大，产生激光发射主波和回波信号，一同送入处理电路内部的高精度时间测量模块中，实现激光飞行时间测量，以此来计算目标距离信息；主控电路与数据解算电路主要负责控制整个系统的工作状态，将扫描器的实时方位信息和激光探测的距离信息进行打包处理，生成带有方位坐标的目标三维点云数据，并对点云数据进行实时在线解算处理，同载机平台的INS数据融合处理，产生区域场景三维模型，进一步传输至直升机平台信息处理单元，供直升机平台研判航迹上的地形地貌和安全区域。

　　德国Eurocopter和Cassidian（原EADS防务部，现空客公司子公司）2个公司在德国国防部的支持下，研制了面向恶劣视觉条件下工作的SFERION直升机飞行员辅助导航系统。该系统由数字地形和障碍数据库、战术信息、飞行计划管理和三维成像激光雷达组成，能够为驾驶员提供恶劣视觉条件下的环境感知，支持位置环境中的起飞和着陆，并能够提供障碍和地形探测和告警能力。

　　SFERION系统的硬件组成部分主要为SFERI SENSE型激光雷达，该激光雷达2个型号分别为SFERI SENSE 300（民用避障）和SEFERI SENSE 500（军用避障）。激光雷达部件研制的前身是EADS于2001年左右研制成功的HELLAS-W与HELLAS-A型激光雷达，系统工作中需要载机平台提供惯导数据。HELLAS-A最大作用距离1200m，能够以每秒99.5%以上的探测概率及时可靠地探测地形、目标和电线年，搭载SFERION系统的德国NH90直升机开展了一系列演示验证试验，多次飞行和地面试验结果都表明HELLAS-A激光三维成像传感器能够有效穿透大雾、雨雪和各种地面沙尘，能够满足直升机辅助导航的需求。HELLAS-A激光雷达已经装备于德国和芬兰的NH-90直升机，法国的NH-90直升机也预定装备该型号。除在欧洲装备外，美国和加拿大也对其进行了一些装备试验工作，验证其辅助导航效能。在民用方面，HELLAS-W已经应用于德国联邦警察EC-135型直升机，以及泰国皇家空军的BELL-412型VIP专用直升机。

　　美国空军研究实验室和雷声公司在美国国防部“三维着陆区联合能力技术演示（3D-LZ JCTD）”项目的支持下，研制了一种集成激光雷达和前视红外能力的光电辅助导航系统。3D-LZ JCTD的基础是利用高分辨率成像激光雷达引导直升机在不良视觉环境中巡航、进场、着陆和起飞。3D-LZ直升机机载激光成像集成安装到EH-60黑鹰直升机上，于2009年6月进行了第一次飞行测试，测试中在几乎100%灰尘阻碍环境下成功地贯穿整个着陆和起飞过程中为飞行员提供了连续的图像。2013年，该系统在进一步改进的基础上，演示了增强的穿沙尘能力和对线缆的探测告警能力，取得了良好的试验效果。

　　为保障直升机的飞行安全，应对电力线缆、天线，以及夜间、极端天气、沙尘等恶劣条件的威胁，以色列Elbit Systems公司研制了SWORD障碍监视告警系统（surveillance & warning obstacle ranging & display, SWORD）。采用高速的激光光束扫描，SWORD系统能够对直升机前方的地形和障碍目标进行数字化测绘，系统将对接收数据进行深入分析，向驾驶员提供声音和图像告警信号，在不增加驾驶员工作负荷的条件下提升飞行安全性。SWORD系统的最远作用距离达到2000m，对于5 mm的线m外告警探测。在此基础上，Elbit Systems公司进一步将头盔显示器和数字地图结合SWORD系统进行了优化设计，形成了专门面向恶劣条件下（尤其是沙尘）辅助导航的“DUST-OFF”解决方案，重点装备于在沙漠地区战场作战的军用直升机平台，解决低能见度着陆（low visibility landing）的技术难题。

　　为了追求更高的帧频和探测时效性，国际上多个研究机构开展了基于面阵APD阵列的新型闪光雷达，美国林肯实验室、ASC公司、波音Spectra Lab、NASA等多个研究机构都对其进行了广泛深入的研究。NASA的Langley Research Center针对着陆导航需求研制了128元×128元的面阵成像激光雷达（ALHAT flash lidar），作用距离1000 m，主要面向未来的星载着陆导航需求，目前已经通过搭载直升机平台进行了一系列的演示验证工作。采用闪光雷达的技术优势在于整个光学系统中不需要扫描机构，简化了系统设计，单次激光脉冲发射即可获得整幅三维图像，避免了因平台运动造成的图像畸变，整个成像过程实时高效。ALHAT激光雷达的主要技术指标参数如表 5。

　　光子计数激光雷达代表了新型激光雷达探测的发展方向，在小型化、远距离探测方面有着巨大的技术优势和潜力，国际上美国林肯实验室、Princeton Lightwave、NASA等研究机构已经对此开展了多年的研究工作，并于近期初步实现了其在车载、机载避障导航激光雷达方向的应用。林肯实验室于2001年开始着手研制Jigsaw光子计数激光雷达，目的是研制一种在直升机平台高度下能够穿透树林、伪装等遮蔽物的激光雷达，该系统同时也具备了直升机避障导航应用的能力。Jigsaw采用32×32元硅基盖革APD阵列单光子探测器作为光电探测器，搭载UH-1直升机在150m作业高度上实现了对伪装在树林下的目标高精度高分辨率探测，横向分辨率为5 cm，距离分辨率为40 cm。表 6是Jigsaw光子计数激光雷达系统的技术指标。

　　激光雷达是现代直升机辅助导航传感器研究的热点领域之一，将直升机对外部环境的探测感知由二维信息提升至三维信息，能够在恶劣视觉条件下保证载机的探测感知能力，其高效性已经经过国际上多个样机系统的验证，技术优势明显，有着极其广阔的应用前景，已经成为直升机合成视觉导航系统（synthetic vision system，SVS）、视景增强系统的重要组成部分。

　　（1）利用多元并行激光探测技术，提升三维成像的实时性。目前直升机避障激光雷达技术方案主要采用单元探测与扫描结合的工作模式，单次激光发射只能实现单点测量，要实现全视场探测往往需要直升机悬停数秒时间，限制了系统的实时性。多远并行激光探测技术目前已经在车载激光雷达上得到了广泛应用，通过线阵、面阵APD探测器的应用，结合多通道并行信号处理与时间测量技术，提高了激光雷达探测效率，全视场成像速率提升10Hz以上，能够有效保障在航行过程中的避障告警。（2）研究恶劣视觉条件下的点云数据处理算法技术、三维点云与二维图像融合处理技术，提高在恶劣视觉环境下的威胁感知能力。在雨雪、砂尘等恶劣条件下，大气中的颗粒会对激光雷达的探测产生较大影响，造成作用距离下降、虚警率较高。开展点云数据处理算法的研究工作，重点是在通过算法处理滤除大气颗粒带来的噪声信号，提取地面、线缆、树木等重点障碍目标数据，与探测电路设计相结合提高系统的信噪比和作用距离。另一方面，将三维点云数据与可见光、红外等图像进行融合处理，输出更丰富的多维度探测、告警数据，供载机信息处理系统和驾驶员判断航行威胁情况，提升告警识别概率和驾驶员识别能力。

　　（3）发展高灵敏度光子计数、光学相控阵等新技术，实现系统高度集成化和小型化。传统的激光雷达采用线性探测体制，灵敏度和作用距离提升空间有限，光子计数激光雷达采用单光子探测器，能够有效响应回波中的每一个光子，具有集成度高、灵敏度高、穿透能力强、探测可靠性高等优点，非常适合于线阵、面阵激光探测，可实现远距离、高分辨率、高帧频三维成像，在机载避障领域意义重大。光学相控阵技术主要利用液晶、光波导等器件来实现非机械光束偏转和扫描，具有重量体积小、功耗小，响应速率快、指向精度与重复定位精度高等技术优势，在激光雷达系统里能够取代现有的振镜、光楔等扫描机构，最终实现小型化、低成本、高可靠的“全固态”激光雷达。回复关键字，获取相关主题精选文章

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