張清源，李 麗，李全熙，董光焰

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047；2.中國人民解放軍海軍91329部隊(duì)裝備部，山東威海264200）

直升機(jī)防撞激光雷達(dá)綜合信息處理系統(tǒng)

張清源1*，李 麗1，李全熙2，董光焰1

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所，河南鄭州450047；2.中國人民解放軍海軍91329部隊(duì)裝備部，山東威海264200）

設(shè)計(jì)了一種新型直升機(jī)載防撞激光雷達(dá)綜合信息處理系統(tǒng)。通過對直升機(jī)姿態(tài)信息的捕獲和修正、目標(biāo)提取與識別、數(shù)據(jù)三維空間轉(zhuǎn)換等技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了直升機(jī)載激光雷達(dá)的改進(jìn)綜合信息處理及顯示，并且采用掃描成像激光雷達(dá)的探測試驗(yàn)對以上技術(shù)進(jìn)行了實(shí)際驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)有效減小了直升機(jī)機(jī)動(dòng)飛行時(shí)激光雷達(dá)探測畫面的畸變，在橫滾角30°時(shí)仍可有效修正探測圖像；另外，在600 m處完成了對電力線等不易觀察高危目標(biāo)的迅速提取；實(shí)現(xiàn)了探測畫面的三維綜合高效顯示，綜合處理時(shí)間＜10 ms。本文提出的新的直升機(jī)載激光雷達(dá)綜合信息處理方式有效改良了人機(jī)界面。

直升機(jī)；激光雷達(dá)；綜合信息處理系統(tǒng)

1 引 言

直升機(jī)由于其快速、便捷的飛行優(yōu)勢而廣泛應(yīng)用于偵查、救援、運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域。然而，由于其常常在障礙物較多的中、低空域飛行，使得飛行安全存在一定的隱患。目前，直升機(jī)飛行的安全通道確認(rèn)仍然以飛行員的目視觀察為主要手段，在能見度不良時(shí)，直升機(jī)往往很難對低空障礙物有充足的避障反應(yīng)時(shí)間。

激光雷達(dá)作為一門新興的技術(shù)，是傳統(tǒng)雷達(dá)技術(shù)與現(xiàn)代激光技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。由于其具有極細(xì)的探測波束角，問世不久便用于探測直升機(jī)前方不易觀察的障礙物［1］。目前，各國針對激光雷達(dá)探測直升機(jī)障礙物的研究仍受到關(guān)注。

直升機(jī)載激光雷達(dá)由激光雷達(dá)光機(jī)頭、綜合信息處理機(jī)、顯示終端3個(gè)基本單元構(gòu)成。其中光機(jī)頭安裝于直升機(jī)機(jī)腹下方，其視軸與直升機(jī)前視場中軸線平行。激光雷達(dá)通過二維高速掃描振鏡掃描空域，實(shí)現(xiàn)密集點(diǎn)陣式探測。

綜合信息處理機(jī)通過對探測點(diǎn)陣內(nèi)各種目標(biāo)的回波信號處理得到目標(biāo)的距離信息，并經(jīng)過濾波、存儲、排序、統(tǒng)計(jì)、映射變換、實(shí)時(shí)修正、圖像重構(gòu)等處理，得到目標(biāo)的距離、方位三維圖像。然后，經(jīng)圖像處理識別危險(xiǎn)目標(biāo)，勾勒出障礙物分布區(qū)域輪廓線，成像于顯示終端上。與此同時(shí)，根據(jù)障礙物目標(biāo)類型、距離劃分危險(xiǎn)等級，適時(shí)發(fā)出聲、光告警，給出安全通道指示，提醒駕駛員采取相應(yīng)的規(guī)避措施，保證直升機(jī)低空安全飛行。

本文設(shè)計(jì)了一種新的直升機(jī)載激光雷達(dá)信息處理系統(tǒng)，通過姿態(tài)數(shù)據(jù)修正、細(xì)微目標(biāo)快速提取、三維綜合顯示手段有效改良了激光雷達(dá)人機(jī)界面，使其在使用中能夠幫助飛行員更快完成對激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的判讀。

2 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

隨著技術(shù)的進(jìn)步，直升機(jī)載激光雷達(dá)在機(jī)載環(huán)境適應(yīng)性、探測覆蓋范圍、探測分辨率、數(shù)據(jù)更新速率、微小目標(biāo)有效探測距離等領(lǐng)域均獲得較大發(fā)展，已基本滿足使用要求。但在實(shí)際使用中，由于激光雷達(dá)與直升機(jī)常用觀測設(shè)備的信號處理方式存在明顯差異，人機(jī)交互界面不夠友好，導(dǎo)致飛行員很難迅速有效地解讀探測信息，從而制約了激光雷達(dá)的有效使用。因此，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的先進(jìn)性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)機(jī)動(dòng)條件下探測數(shù)據(jù)的修正

出于可靠性、成本等多方面考慮，激光雷達(dá)光機(jī)頭往往直接固定于直升機(jī)機(jī)身，而在實(shí)際飛行中，直升機(jī)往往會(huì)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎、起伏等各種機(jī)動(dòng)動(dòng)作，從而在激光雷達(dá)探視場內(nèi)引入相應(yīng)的側(cè)滾角及俯仰角。此時(shí)呈現(xiàn)在飛行員眼前的是一幅翻轉(zhuǎn)變形的探測圖像，很難對探測信息進(jìn)行快速判讀。通過對激光雷達(dá)探測圖像進(jìn)行直升機(jī)姿態(tài)同步修正，可以減小探測圖像畸變對飛行員數(shù)據(jù)判讀的影響。

(2)高危細(xì)微目標(biāo)的快速有效提取

在直升機(jī)飛行過程中，雖本身擁有目視、CCD、夜視儀、氣象雷達(dá)等多種探測手段，但由于存在分辨率、全天時(shí)等方面的局限，其往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力線等不易觀察到的微小障礙物，使得此類障礙物對直升機(jī)飛行安全產(chǎn)生了巨大的威脅。激光雷達(dá)具有獨(dú)特的探測特性，可在相當(dāng)距離內(nèi)迅速檢測到電力線之類的障礙目標(biāo)，由于其余探測手段已能發(fā)現(xiàn)山體、樹林等較大障礙物，此時(shí)，激光雷達(dá)可將電力線等細(xì)微目標(biāo)作為高危目標(biāo)單獨(dú)提取出來［2］，并迅速告知飛行員，從而實(shí)現(xiàn)對此類目標(biāo)的有效規(guī)避。

同時(shí)，由于直升機(jī)功能的復(fù)雜化和缺乏設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，越來越多的信息引入到直升機(jī)綜合顯示終端，導(dǎo)致信息過多、混亂，增加了飛行員的工作負(fù)荷，延遲了認(rèn)知和判斷的時(shí)間［3］。為了避免干擾飛行員正常工作，在信號處理過程中必須保證對高危目標(biāo)提取的真實(shí)有效，避免激光雷達(dá)頻繁發(fā)出虛假警報(bào)情況的發(fā)生。

(3)人機(jī)界面改良

目前，直升機(jī)載激光雷達(dá)探測得到的圖像通常采用三維偽彩色顯示法。圖1為激光雷達(dá)探測圖像的偽彩色顯示圖。目標(biāo)點(diǎn)在探測圖像內(nèi)的成像位置與該目標(biāo)點(diǎn)在探測視場內(nèi)的觀察位置一一對應(yīng)，但是，使用顏色來代表目標(biāo)的相對距離。如紅色表示距離100 m，其余顏色依照距離色碼對應(yīng)表依次排列。這種圖像可以從目標(biāo)點(diǎn)的顏色直接判斷出其對應(yīng)的距離，有利于數(shù)據(jù)的快速判讀。

圖1 激光雷達(dá)探測圖像偽彩色顯示圖Fig.1 Pseudo-colour vision diagram of laser radar image

但是，偽彩色顯示畢竟不同于常見的圖像顯示方式，當(dāng)障礙物淹沒于背景中時(shí)，即便顏色有所區(qū)別，在沒有占據(jù)足夠多像素點(diǎn)前，飛行員往往很難清晰判讀出障礙物方位及形狀。因此，需對人機(jī)界面進(jìn)行改進(jìn)，以便迅速及時(shí)地將障礙物信息清晰地傳遞給飛行員。

3 系統(tǒng)組成及工作原理

直升機(jī)載激光雷達(dá)綜合信息處理系統(tǒng)硬件構(gòu)成如圖2所示。

圖2 激光雷達(dá)綜合信息處理系統(tǒng)組成框圖Fig.2 Block diagram of the synthetical information processing system of laser radar

圖中時(shí)序控制器負(fù)責(zé)整機(jī)內(nèi)部時(shí)序控制，距離生成器用于探測位置的目標(biāo)距離解算，圖像生成器對探測數(shù)據(jù)進(jìn)行點(diǎn)陣排布，生成初步探測畫面。

姿態(tài)修正單元、目標(biāo)識別單元、綜合顯示單元為本設(shè)計(jì)的主要研究內(nèi)容。

3.1 姿態(tài)修正單元

激光雷達(dá)掃描得到的探測數(shù)據(jù)通常用橫坐標(biāo)表示方位，縱坐標(biāo)表示俯仰，不同的距離信息為第三維的顯示方式。對于翻轉(zhuǎn)變形的激光雷達(dá)探測圖像，為實(shí)現(xiàn)飛行員對數(shù)據(jù)的快速判讀，激光雷達(dá)姿態(tài)修正單元需對探測圖像依照直升機(jī)側(cè)滾角度進(jìn)行逆向旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償。

假設(shè)橫向掃描角為H，列向掃描角為L，橫向像素?cái)?shù)為M，縱向像素?cái)?shù)為N，則橫向相對于列向的像素間距為N×H/(L×M)。用一個(gè)參數(shù)D來代替，即：

對于原始的N×M個(gè)像素所表示的一幀圖像，最后橫向像素個(gè)數(shù)擴(kuò)展為A倍，列向像素個(gè)數(shù)擴(kuò)展為B倍，并將圖像順時(shí)針旋轉(zhuǎn)c度(c為每幀錄取的直升機(jī)側(cè)滾角的平均值)。

像點(diǎn)位置變換前為［X，Y］，變換后為［X1，Y1］，變換關(guān)系為［4］：

根據(jù)坐標(biāo)變換關(guān)系，得到新的坐標(biāo)系，和原始距離信息一一對應(yīng)之后，即可得到坐標(biāo)擴(kuò)展并且姿態(tài)修正后的顯示圖像。

3.2 目標(biāo)識別單元

對于飛行員不易察覺的重要目標(biāo)電力線設(shè)計(jì)了獨(dú)立的處理模塊，分離出背景中的電力線，自動(dòng)提取電力線信息，發(fā)出告警。

電力線一般比地面高出5～50 m，水平方向連續(xù)而垂直方向不連續(xù)，利用它比較孤立于背景這一特點(diǎn)，采用差分算法，將電線從背景中分離出來。但差分處理后的圖像存在其它噪聲，需要對其進(jìn)行濾波處理。根據(jù)噪聲比較隨機(jī)且與周圍目標(biāo)相關(guān)性小，噪聲數(shù)據(jù)和周圍的目標(biāo)距離相差很大這些特點(diǎn)，對圖像單點(diǎn)噪聲進(jìn)行了剔除。處理后的電力線圖像通過直方圖統(tǒng)計(jì)，獲取距離最集中的電力線，給出距離數(shù)據(jù)，進(jìn)行單獨(dú)告警。電力線提取算法如下：

一幅N×M大小的二維離散圖像F=fij可以表示為［5］：

圖像F在θ∈Φ的方向上的微分可以用前向差分形式表示為ΔFθ：

其中：

此算法解算到的數(shù)據(jù)圖像特征，經(jīng)過單點(diǎn)噪聲濾波后可有效提取空間孤懸的電力線等不易觀察的目標(biāo)。

3.3 綜合顯示單元

在檢測到目標(biāo)的基礎(chǔ)上，激光雷達(dá)綜合顯示單元需對目標(biāo)威脅度進(jìn)行判斷并顯示。圖3為一種威脅度劃分示意圖，不同的顏色表示不同的威脅等級［6］。一般情況下，飛行通道前方800～1 500 m為威脅區(qū)域，400～800 m為嚴(yán)重威脅區(qū)域，400 m以內(nèi)為極危險(xiǎn)區(qū)域。

在當(dāng)前實(shí)際應(yīng)用中，頭盔顯示器正逐漸取代平視顯示器成為飛行員的主要信息來源［7］。因此，在本設(shè)計(jì)中采用三維立體顯示的方法，匹配雙目顯示頭盔后可幫助飛行員最快實(shí)現(xiàn)對障礙物信息的有效判讀。

在國外，機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)測量技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，硬件技術(shù)與系統(tǒng)問題研究基本解決，但相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理算法還處于前期研究階段［8］。在本系統(tǒng)中，采用三維映射算法來實(shí)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的三維顯示轉(zhuǎn)換。

圖3 威脅度劃分示意圖［6］Fig.3 Sketchmap of threatening grade partition

激光雷達(dá)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三維空間映射計(jì)算方法如下［9］：

式中：m為橫向第m掃描點(diǎn)，n為縱向第n掃描點(diǎn)，(x，y)為激光掃描點(diǎn)坐標(biāo)，(x0，y0)為飛行器當(dāng)前位置，Lmn為激光雷達(dá)掃描距離，hmn(x，y)為掃描點(diǎn)高度，h0為直升機(jī)當(dāng)前飛行高度，βm為激光雷達(dá)掃描方位角，γn為激光雷達(dá)掃描俯仰角，α為直升機(jī)當(dāng)前俯仰角。

綜合以上手段，對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行直升機(jī)姿態(tài)的修正后，再對所有障礙物進(jìn)行不同距離、高度的威脅度劃分，然后以不同的顏色投射在三維顯示界面上，同時(shí)將提取出的電力線等高危障礙物在顯示界面上進(jìn)行閃爍加重顯示，以進(jìn)一步提醒飛行員注意。

4 試驗(yàn)結(jié)果

本套系統(tǒng)通過了試驗(yàn)驗(yàn)證，其中姿態(tài)修正單元與目標(biāo)識別單元進(jìn)行了實(shí)際飛行試驗(yàn)驗(yàn)證，綜合顯示單元進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證。

(1)飛行試驗(yàn)驗(yàn)證

進(jìn)行了直升機(jī)掛載激光雷達(dá)的實(shí)際飛行驗(yàn)證，試驗(yàn)設(shè)備構(gòu)成框圖如圖4。使用的激光雷達(dá)最遠(yuǎn)可有效探測400～600 m的細(xì)微目標(biāo)及2.5 km的較大目標(biāo)。具體試驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖4 飛行試驗(yàn)驗(yàn)證硬件構(gòu)成框圖Fig.4 Block diagram of hardware in experiment system

表1 激光雷達(dá)飛行試驗(yàn)條件Tab.1 Flight experimental conditions of laser radar

圖5 激光雷達(dá)探測圖像修正前后對比Fig.5 Contrast of detecting images before and after corrections

試驗(yàn)結(jié)果表明：兩種技術(shù)均取得了較好的效果。

通過對姿態(tài)慣導(dǎo)設(shè)備的信號提取及相應(yīng)修正，激光雷達(dá)可實(shí)現(xiàn)對探測區(qū)域圖像的實(shí)時(shí)修正，改善圖像傾斜的現(xiàn)象。圖5為修正前后的探測圖像比對，可看到修正后激光雷達(dá)探測圖像水平向與實(shí)際水平向一致，明顯改善了探測圖像質(zhì)量。實(shí)測結(jié)果表明：在保證探測有效性及成像質(zhì)量的前提下，在橫滾角30°范圍內(nèi)，均可迅速實(shí)現(xiàn)探測圖像的修正。

通過對電力線目標(biāo)的特征提取及相應(yīng)算法改進(jìn)，可實(shí)現(xiàn)對直升機(jī)飛行安全影響最大的電力線目標(biāo)的快速提取及單獨(dú)顯示。實(shí)測結(jié)果顯示，該算法可在600 m距離有效識別電力線目標(biāo)。

圖6 激光雷達(dá)探測目標(biāo)電力線提取圖像Fig.6 Image ofwire acquired by laser radar detection

(2)計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證

對前期得到的激光雷達(dá)探測圖像進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真驗(yàn)證，試驗(yàn)原理框圖如圖7所示，試驗(yàn)輸入分辨率為640×480的原始圖像，經(jīng)轉(zhuǎn)換后得到相同分辨率的三維立體顯示圖像。

圖7 綜合顯示仿真試驗(yàn)原理框圖Fig.7 Principle chart of emulational experimention in synthetical display

通過對激光雷達(dá)探測數(shù)據(jù)的三維空間映射排布，可快速實(shí)現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的三維立體顯示，有效改善人機(jī)界面。圖8為激光雷達(dá)探測圖像經(jīng)綜合顯示轉(zhuǎn)換后得到的三維顯示畫面。畫面中對當(dāng)前高度直升機(jī)飛行可能產(chǎn)生威脅的目標(biāo)以紅色標(biāo)識顯示，對不易被觀察到的電力線以紅色閃爍的方法顯示(圖像右下角)。

綜合信息處理所導(dǎo)致的時(shí)延不超過10 ms，結(jié)合激光雷達(dá)自身掃描成像所需時(shí)間，從開始探測到最后形成告警所用的時(shí)間不超過1 s，足夠飛行員采取回避動(dòng)作。

圖8 激光雷達(dá)三維合成視景圖Fig.8 Three-dimensional synthesized vision diagram of laser radar detected image

5 結(jié) 論

本套系統(tǒng)在3項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)上進(jìn)行了理論研究，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)電路及軟件，并進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明：系統(tǒng)設(shè)計(jì)合理，工作有效，在直升機(jī)橫滾角30°范圍內(nèi)均可實(shí)現(xiàn)圖像的快速修正，可迅速實(shí)現(xiàn)600 m范圍內(nèi)細(xì)微特征目標(biāo)的提取，有效改善了直升機(jī)載激光雷達(dá)的人機(jī)界面，綜合信息處理時(shí)間不超過10 ms。該系統(tǒng)可進(jìn)一步增強(qiáng)激光雷達(dá)在直升機(jī)載設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用。

如今，直升機(jī)載光電探測設(shè)備已包含CCD、紅外成像、微波雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等多種類型，而激光多應(yīng)用在測距、制導(dǎo)等方面，激光雷達(dá)在直升機(jī)載探測設(shè)備領(lǐng)域只獲得了極個(gè)別的應(yīng)用。這主要是受其技術(shù)難度高，工程應(yīng)用不成熟，而且在惡劣天氣時(shí)性能下降等因素的制約。但激光雷達(dá)的優(yōu)勢仍受人關(guān)注，如角分辨率和距離分辨率極高、速度分辨率高、測速范圍廣、信息量豐富、抗干擾能力強(qiáng)、具備全天時(shí)工作能力等。鑒于此，國外針對直升機(jī)載激光雷達(dá)工程應(yīng)用的研究步伐并沒有停止，諸如利用光纖掃描系統(tǒng)［10］、光纖激光器等新型組件有效提高其可靠性和適裝性等。有理由相信，激光雷達(dá)加入直升機(jī)載光電探測設(shè)備序列只是時(shí)間問題。

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作者簡介：

張清源(1979—)，男，河南固始人，學(xué)士，高級工程師，2002年于北京理工大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事激光雷達(dá)工程應(yīng)用方面研究。E-mail：hookerzhang@yahoo.cn

李 麗(1981—)，女，河南濮陽人，碩士，工程師，2003年于鄭州大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位，2006年于北京理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事激光雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及仿真等方面研究。E-mail：lldeemail@163.com

李全熙(1972—)，男，山東濰坊人，碩士，2012年于中國海洋大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事激光雷達(dá)方面的研究。E-mail：liqx117@163.com

董光焰(1978—)，男，四川平昌人，工程碩士，高級工程師，2000年于長春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院獲學(xué)士學(xué)位，2009年于西安電子科技大學(xué)獲得工程碩士學(xué)位，主要從事空間光電系統(tǒng)、激光雷達(dá)等方面研究。E-mail：optgyd@sina.com

Comprehensive information processing system of helicopter anticollision laser radar

ZHANG Qing-yuan1*，LILi1，LIQuan-xi2，DONG Guang-yan1
(The 27th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation，Zhengzhou 450047，China) 2.Equipment Department of No.91329 Troop，the People′s Liberation Army Navy，Weihai264200，China)
*Corresponding author，E-mail：hookerzhang@yahoo.cn

This article introduces a new comprehensive information processing system for the helicopter anticollision laser radar.Based on the acquirement and correction of helicopter attitude，extraction and identification of a target，and the three-dimensional transformation of data，the processing and display abilities of the system for comprehensive information are improved.Detection experiments of the scan imaging laser radar are designed to verify the effects of thesemethods.The experimental results indicate that the distortion of detection image is reduced effectively when the helicopter flies for emergency.Even though the roll angle is up to 30°，the correction is still effective.The high-risk targets such as a power line are extracted quickly at the distance of 600 m.Furthermore，the three-dimensional high efficiency integrated display becomes true，and the time of comprehensive processing is less than 10 ms.The new methods of comprehensive information processing of the helicopter anticollision laser radar improves theman-machine interface greatly.

helicopter；laser radar；comprehensive information processing system

TN958.98

A

10.3788/CO.20130601.0080

1674-2915(2013)01-0080-08

2012-09-21；

2012-11-25