樊博璇 陳桂明 常 亮 常 東 趙 喆

激光雷達(dá)技術(shù)在軍事領(lǐng)域應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

樊博璇陳桂明常 亮常 東趙 喆

（1.火箭軍工程大學(xué)，西安 710025；2.火箭軍裝備部駐西安地區(qū)第一軍事代表室，西安 710025）

激光雷達(dá)技術(shù)因其同步、快速、高精度的特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域掀起了一場(chǎng)技術(shù)革新。文章詳細(xì)介紹了激光雷達(dá)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，特別強(qiáng)調(diào)了在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。最后，歸納了在虛擬訓(xùn)練、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、裝備全壽命數(shù)字化管控3個(gè)軍事領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)。

激光雷達(dá)；偵查探測(cè)；軍事應(yīng)用；三維建模

1 引言

近幾十年來(lái)，世界各國(guó)對(duì)于激光雷達(dá)技術(shù)在軍事領(lǐng)域的研究不斷深入，使激光雷達(dá)的發(fā)展理論日趨成熟，在軍事上已用于彈道導(dǎo)彈防御、精密跟蹤、制導(dǎo)、靶場(chǎng)測(cè)量、火控、振動(dòng)遙測(cè)、偵察、水下探測(cè)等領(lǐng)域。國(guó)外從90年代開始大規(guī)模應(yīng)用激光雷達(dá)技術(shù)，目前已滲透至測(cè)繪、文化產(chǎn)業(yè)、工業(yè)設(shè)計(jì)、能源、交通等多個(gè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)在測(cè)繪、文物保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用較多，其他領(lǐng)域處于科研、探索階段。在軍事領(lǐng)域，美、德、日已展開應(yīng)用，我國(guó)基本沒有采用激光雷達(dá)技術(shù)的三維逆向工程應(yīng)用案例，尤其在裝備三維數(shù)字化、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、目標(biāo)識(shí)別等方面仍主要依靠人工或影像途徑。

本文介紹了激光雷達(dá)在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，特別總結(jié)了近年來(lái)其在軍事方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并且分析了激光雷達(dá)在軍事領(lǐng)域的發(fā)展前景，重點(diǎn)展望了其在裝備全壽命數(shù)字化逆向工程中的應(yīng)用。

2 軍事應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 偵察成像激光雷達(dá)

激光雷達(dá)因其高精度、高分辨率、高自動(dòng)化、高效率，以及多重反射特性的優(yōu)勢(shì)，測(cè)量時(shí)可同時(shí)獲取地面及其表面植被、電力線路等覆蓋物的精確三維坐標(biāo)，已成為重要的偵察手段。1992年，美軍演示了遠(yuǎn)距離使用主動(dòng)三維成像激光雷達(dá)探測(cè)識(shí)別空中和地面的目標(biāo)。其在Pack Tack吊艙安裝了CO激光雷達(dá)，發(fā)射機(jī)和接收機(jī)共用一個(gè)孔徑，CO激光器的輸出功率100W、光束發(fā)散度100mrad，采用的256焦平面凝視陣列的工作波段在3.8～4.5μm，靈活的光束控制反射鏡的分辨率為4mrad，可利用距離剖面、目標(biāo)外部變化、三維激光雷達(dá)成像和高分辨率紅外成像實(shí)現(xiàn)目標(biāo)識(shí)別。美國(guó)Le Siang公司研制的ILR100激光雷達(dá)，部署在待偵察區(qū)域上空飛行的航空器上，可在飛機(jī)顯示器上實(shí)時(shí)顯示獲得的三維影像，或發(fā)送至地面站（見圖1）。

圖1 機(jī)載激光雷達(dá)掃描方式

2.2 水下探測(cè)激光雷達(dá)

激光雷達(dá)可分辨水下目標(biāo)的形狀和尺寸，具有一定的水下探測(cè)能力，而透水激光雷達(dá)系統(tǒng)更可穿透水體而量測(cè)水底的地形起伏。

20世紀(jì)60年代末，第一個(gè)激光海水測(cè)深系統(tǒng)研制成功。迄今美國(guó)、澳大利亞和瑞典等國(guó)家都推出了實(shí)用型海洋激光雷達(dá)，發(fā)展了三代機(jī)載海洋激光雷達(dá)系統(tǒng)。1988年美軍一艘護(hù)衛(wèi)艦被水雷擊沉，在此之后美國(guó)Kaman航天公司開始研制Magiclamp機(jī)載水下探測(cè)激光雷達(dá)。該激光雷達(dá)發(fā)射機(jī)采用Nd:YAG激光器，使用藍(lán)綠激光寬光束發(fā)射器，電子選通像增強(qiáng)CCD光電檢測(cè)設(shè)備和精確脈沖定時(shí)發(fā)生器，具有與點(diǎn)陣掃描非成像激光雷達(dá)類似的掃描機(jī)構(gòu)。Magic lamp激光雷達(dá)可以在海面上500m以下的高度工作，低空分辨率和信噪比較高而視場(chǎng)有限。探測(cè)時(shí)，只需使用機(jī)載激光器向海面發(fā)射激光脈沖，就可顯示水下目標(biāo)的形狀等特征，實(shí)現(xiàn)快速探測(cè)目標(biāo)并準(zhǔn)確定位。Magic lamp激光雷達(dá)在海灣戰(zhàn)爭(zhēng)期間成功地發(fā)現(xiàn)水雷，有效降低了美軍的損失。

美國(guó)Northrop公司研制的ALARMS機(jī)載雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)自動(dòng)檢測(cè)并顯示可疑的水下目標(biāo)，可以24h工作，三維定位能力和定位分辨率高。

2.3 尋的制導(dǎo)激光雷達(dá)

上世紀(jì)70年代中期，激光雷達(dá)精確的制導(dǎo)性能開始被應(yīng)用到導(dǎo)彈系統(tǒng)，激光雷達(dá)可以提供高分辨率圖像，熱能輻射干擾小，激光雷達(dá)尋的器能形成目標(biāo)的三維影像，確保準(zhǔn)確地識(shí)別目標(biāo)。美軍著重研制的激光雷達(dá)制導(dǎo)武器“寶石路”，成為了早期最成功的激光雷達(dá)精確制導(dǎo)武器之一。這種激光雷達(dá)制導(dǎo)炸彈的目標(biāo)命中率相比以往炸彈高出約40%，被成功應(yīng)用在越南戰(zhàn)場(chǎng)上。

此后，美國(guó)空軍Wright實(shí)驗(yàn)室研制了用于制導(dǎo)的固態(tài)激光雷達(dá)導(dǎo)引頭，能憑借反射回來(lái)的激光波束，定向追蹤目標(biāo)物。其先使用追蹤模式工作，以750m的掃描寬度、100Hz的頻率精確自主掃描，捕獲目標(biāo)后轉(zhuǎn)變?yōu)閽呙鑼挾葹?00m的攻擊模式。其使用的自主目標(biāo)捕獲與識(shí)別算法，能夠區(qū)分彈道導(dǎo)彈、雷達(dá)盤型天線、炮彈等，具有先進(jìn)的特征提取功能，最大化提升了武器裝備的命中效率，支持了空軍的小型靈巧炸彈和海軍先進(jìn)的巡航導(dǎo)彈的研制。其在1997年的飛行試驗(yàn)中成功識(shí)別出了“飛毛腿”導(dǎo)彈目標(biāo)。

美國(guó)Lockheed Martin公司研制了一種低成本小型制導(dǎo)子彈藥，制導(dǎo)依靠慣性GPS激光雷達(dá)導(dǎo)引頭，能夠自主攻擊地面目標(biāo)。這種子彈藥可由多種主戰(zhàn)撒布器投放，攻擊機(jī)動(dòng)導(dǎo)彈發(fā)射架、坦克裝甲車輛、地空導(dǎo)彈陣地等。美陸軍正在研制能用于子彈藥的小型激光雷達(dá)的經(jīng)濟(jì)有效的尋的器技術(shù)，以能夠攻擊輕型裝甲。美軍新型子彈藥尺寸空間更小，對(duì)尋的器的尺寸也提出了更高要求，美陸軍正在發(fā)展新的將探測(cè)器與脈沖捕獲電子系統(tǒng)集成的方法，并考慮采用聲光掃描器、相控陣掃描器或轉(zhuǎn)楔掃描器等技術(shù)代替常平架掃描器技術(shù)，以及將普通光學(xué)系統(tǒng)升級(jí)為全息衍射光學(xué)系統(tǒng)。

2.4 直升機(jī)避障激光雷達(dá)

低空飛行的直升機(jī)容易撞到山丘或建筑物等地面障礙，世界各國(guó)都在研制直升機(jī)用的避障激光雷達(dá)來(lái)解決這一問題。美陸軍和Rothrop Grumman公司聯(lián)合研制的直升機(jī)超低空飛行避障系統(tǒng)已在兩種直升機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)。該系統(tǒng)通過探測(cè)直升機(jī)前方較大范圍區(qū)域，并將地面障礙物信息實(shí)時(shí)顯示在頭盔或平視顯示器上，保障安全飛行。另外，F(xiàn)ibertek公司在美陸軍指導(dǎo)下，研制了已安裝在UH-1H直升機(jī)上的直升機(jī)激光雷達(dá)系統(tǒng)。該激光雷達(dá)由二極管泵浦的1.54μm固體激光器、接收機(jī)、掃描器等組成，探測(cè)能力更強(qiáng)，可探測(cè)到電力線等障礙物。

CLARA激光雷達(dá)由德國(guó)Dassault公司和英國(guó)Marconi公司聯(lián)合研制，其以CO激光器為基礎(chǔ)，具有目標(biāo)測(cè)距、地形跟蹤以及活動(dòng)目標(biāo)指示功能，還可作為直升機(jī)載障礙報(bào)警系統(tǒng)，能探測(cè)標(biāo)桿和電力線等障礙，對(duì)前方5mm電纜可提前10s報(bào)警，是惡劣天氣中的重要補(bǔ)盲手段。Hellas障礙探測(cè)激光雷達(dá)由德國(guó)Daimler-Benz公司研制，其使用1.54μm固體成像激光器，能夠探測(cè)300～500m距離以內(nèi)，直徑大于1cm粗的電線。1999年1月德軍訂購(gòu)了25部Hellas障礙探測(cè)激光雷達(dá)，安裝在其新型直升機(jī)上。

2.5 生化污染探測(cè)激光雷達(dá)

傳統(tǒng)的生化污染探測(cè)裝置由士兵操作，士兵一邊探測(cè)一邊前進(jìn)，不僅探測(cè)速度慢，而且士兵存在風(fēng)險(xiǎn)。很多國(guó)家正在采取措施應(yīng)對(duì)生化武器威脅。由于每種生化污染物質(zhì)只吸收某特定波長(zhǎng)的電磁波，根據(jù)這一特性，可使用激光雷達(dá)技術(shù)進(jìn)行生化污染的遙測(cè)識(shí)別。

俄羅斯研制的KDKhr-1N地面激光遠(yuǎn)距離毒氣報(bào)警系統(tǒng)，可實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離測(cè)定毒劑氣溶膠云的距離、中心角坐標(biāo)、高度、厚度以及毒劑其它相關(guān)參數(shù)。其工作時(shí)，由激光雷達(dá)激光發(fā)射機(jī)采用氣溶膠光學(xué)定位方法探查大氣，記錄毒劑散射的激光輻射。德國(guó)研制的VTB-1型遙測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器技術(shù)更加先進(jìn)，利用微分吸收光譜學(xué)原理遙測(cè)化學(xué)戰(zhàn)劑，包括兩臺(tái)可在9～11μm間可在40個(gè)頻率上調(diào)節(jié)的連續(xù)波CO激光器，既安全又準(zhǔn)確。

2.6 大氣監(jiān)測(cè)激光雷達(dá)

在高空投擲炸彈和其它兵器時(shí)會(huì)受到風(fēng)的干擾。激光雷達(dá)可通過測(cè)量大氣中顆粒的后向散射實(shí)時(shí)測(cè)量風(fēng)場(chǎng)。利用這一特性，美空軍利用機(jī)載激光雷達(dá)測(cè)量飛機(jī)與地面間的實(shí)時(shí)風(fēng)場(chǎng)，風(fēng)場(chǎng)圖按100m分層，速度精度在0.5m/s以內(nèi)，通過調(diào)整投擲點(diǎn)，補(bǔ)償風(fēng)的影響，實(shí)現(xiàn)了從3000m以上高空的精確投擲。

此外，飛機(jī)后的紊流會(huì)給與其相遇的飛機(jī)造成一定危險(xiǎn)，激光雷達(dá)能夠在飛機(jī)與紊流相遇前對(duì)紊流陣風(fēng)進(jìn)行探測(cè)，為軍用飛機(jī)提供安全保障。英國(guó)國(guó)防鑒定與研究局研制了能對(duì)飛機(jī)后微爆風(fēng)切變和尾流速度進(jìn)行測(cè)量的激光雷達(dá)，利用這種激光雷達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飛行跑道，能夠在保證安全的前提下增加飛機(jī)通過量。B-2轟炸機(jī)配備的激光雷達(dá)，采用低截獲概率激光發(fā)射機(jī)和激光接收機(jī)，能夠檢測(cè)飛機(jī)后有無(wú)暴露這種隱形轟炸機(jī)的凝結(jié)尾流，一旦探測(cè)到突然出現(xiàn)的凝結(jié)尾流，則立即報(bào)警。

3 在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

由數(shù)量制勝轉(zhuǎn)變?yōu)橘|(zhì)量制勝，是現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)發(fā)生的顯著變化之一，國(guó)家安全利益已超出傳統(tǒng)的領(lǐng)土、領(lǐng)空、領(lǐng)海范圍，對(duì)于未知戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的有力偵察以及有效決策，是決定未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)走向、打贏信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的重要基礎(chǔ)。

a. 激光雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)精度高，可對(duì)目標(biāo)進(jìn)行細(xì)節(jié)分析，并為精準(zhǔn)打擊提供可靠依據(jù)。

激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)精度主要取決于慣性導(dǎo)航系統(tǒng)與激光發(fā)射器的性能。目前，一般民用激光雷達(dá)系統(tǒng)在飛行高度1000m的情況下可達(dá)到10cm以內(nèi)的地表點(diǎn)，常被用于檢測(cè)分析建筑物、道路、橋梁等地物的位置、高度、輪廓等信息。而軍用激光雷達(dá)使用的慣性導(dǎo)航及激光脈沖設(shè)備配置較民用更為高端，可提供厘米甚至亞厘米級(jí)精度的測(cè)量數(shù)據(jù)。軍用激光雷達(dá)不僅可對(duì)大尺度戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)景進(jìn)行快速偵查、記錄、重建，還可對(duì)如裝甲車、戰(zhàn)斗機(jī)等小型目標(biāo)的高度、寬度、長(zhǎng)度、輪廓、口徑等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行量化分析與型號(hào)匹配，為目標(biāo)精確打擊提供快速可靠的情報(bào)，如圖2、圖3所示。

圖2 三維可測(cè)地形成像示例圖

圖3 激光雷達(dá)戰(zhàn)場(chǎng)地表信息示例圖

b. 激光雷達(dá)可提供三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，自動(dòng)化程度高。

通過激光雷達(dá)技術(shù)探測(cè)到的目標(biāo)以密集三維激光點(diǎn)（又稱激光點(diǎn)云）的形式被記錄，如圖4所示。與二維的光學(xué)影像相比，激光雷達(dá)提供了額外的深度信息，基于三維圖形的模式識(shí)別算法較基于二維圖形的算法則更為精確，其受光影噪音及遮擋噪音的影響較小，從而降低了對(duì)人工識(shí)別的需求。戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中的裝備往往經(jīng)過色彩偽裝，與周圍場(chǎng)景具有類似的色彩與紋理，給基于光學(xué)影像的圖像分析算法帶來(lái)了很大困難。而基于三維激光點(diǎn)云的識(shí)別算法主要分析目標(biāo)的空間結(jié)構(gòu)，可獨(dú)立勝任色彩隱蔽目標(biāo)的識(shí)別。此外，離散的三維點(diǎn)云也可直接根據(jù)空間方位參數(shù)投影轉(zhuǎn)換至二維深度影像數(shù)據(jù)，無(wú)縫與光學(xué)影像融合進(jìn)行多源數(shù)據(jù)融合的目標(biāo)分析與。

圖4 激光雷達(dá)成像后的坦克圖像

c. 激光雷達(dá)具有多回波性，有利于隱蔽目標(biāo)探測(cè)。

作為一種主動(dòng)式數(shù)據(jù)探測(cè)技術(shù)，激光雷達(dá)脈沖可穿透一部分較薄障礙物，如植被、偽裝帆布等，并獲得障礙物背面物體的激光反射，能量較大的激光脈沖還可穿透較厚的障礙物，或穿透多層薄障礙物。通過分析激光雷達(dá)的多回波信息以及回波變化信息，可對(duì)隱藏在森林區(qū)域的敵方目標(biāo)實(shí)現(xiàn)偵測(cè)。

d. 激光雷達(dá)可獲取目標(biāo)反射強(qiáng)度信息，用于目標(biāo)物質(zhì)分析。

除了三維空間坐標(biāo)和多回波信息，激光雷達(dá)還同時(shí)記錄了激光被目標(biāo)表面反射后光波的振幅，又稱為反射強(qiáng)度信息。激光雷達(dá)反射強(qiáng)度與激光飛行距離（已知）、入射角度（可計(jì)算）以及反射面的物質(zhì)具有確定數(shù)學(xué)關(guān)系。最新研究成果已經(jīng)可以通過激光雷達(dá)反射強(qiáng)度推算出目標(biāo)表面的物質(zhì)類型，如泥土、巖石、木材、金屬等，通過對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境激光雷達(dá)數(shù)據(jù)反射強(qiáng)度的分析，可將自然環(huán)境與人造物體有效區(qū)分，甚至可推算出人造物體表面的金屬類別，與幾何信息配合可分析出其具體類型及型號(hào)。

4 在軍事領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)

近些年，激光雷達(dá)在測(cè)繪市場(chǎng)所占的份額不斷擴(kuò)大，其應(yīng)用的領(lǐng)域和深度也日益拓寬和加深，我國(guó)學(xué)者也投入到激光雷達(dá)技術(shù)的研究中，但總體而言，我國(guó)無(wú)論在激光雷達(dá)的硬件研制及理論研究，還是在實(shí)踐應(yīng)用方面都落后于西方發(fā)達(dá)國(guó)家，許多新體制激光雷達(dá)仍在研制或探索之中。雖然目前已有多種激光雷達(dá)系統(tǒng)投入使用，但激光雷達(dá)仍有很大發(fā)展應(yīng)用空間，尤其是激光雷達(dá)的研究工作將主要集中在虛擬裝配和戰(zhàn)場(chǎng)偵察等逆向數(shù)字化工程應(yīng)用方面。

基于三維激光雷達(dá)的武器裝備逆向數(shù)字化工程的主要優(yōu)點(diǎn)有：

a. 精度高。采用三維激光雷達(dá)進(jìn)行中距測(cè)量的誤差可小于1cm，進(jìn)行近距測(cè)量的誤差可小于1mm或亞毫米，進(jìn)行手持拍攝的誤差則可達(dá)到微米級(jí)。相較于傳統(tǒng)方法，三維激光雷達(dá)可直接還原三維坐標(biāo)，比二維影像資料信息更加精準(zhǔn)。

b. 效率優(yōu)。采用三維激光雷達(dá)進(jìn)行逆向測(cè)量可以提高10倍以上的工作效率，同一個(gè)武器裝備零部件如半個(gè)小時(shí)完成逆向建模，則傳統(tǒng)影像方法需要影像從不同角度進(jìn)行匹配和擬合，整體流程大約相差十倍以上，而傳統(tǒng)正向CAD需要圖紙，且效率精度較三維激光雷達(dá)都較低。

c. 模式新。三維激光雷達(dá)逆向建模采用非接觸式交互還原模式，無(wú)需任何前置性資料即可對(duì)武器裝備直接還原，尺寸可從厘米級(jí)至千米級(jí)。此外，還可在不可動(dòng)、不可進(jìn)場(chǎng)景以及全天候無(wú)人機(jī)航拍大場(chǎng)景等特殊情景中使用。

d. 應(yīng)用廣。三維激光雷達(dá)關(guān)于武器裝備的逆向數(shù)字化工程應(yīng)用是一種嶄新的底層技術(shù)革新，可用于虛擬裝配、標(biāo)準(zhǔn)化裝備庫(kù)建設(shè)、營(yíng)房管控、戰(zhàn)場(chǎng)偵察、特征識(shí)別、實(shí)時(shí)變化對(duì)比、質(zhì)量檢驗(yàn)和毀傷評(píng)估等多個(gè)領(lǐng)域，很多應(yīng)用有待開發(fā)，在國(guó)防建設(shè)中潛力十足。

4.1 虛擬訓(xùn)練

從上世紀(jì)80年代以來(lái)，世界各軍事大國(guó)十分重視虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)的建設(shè)，紛紛制訂了一系列的研究計(jì)劃，投入巨資開展相關(guān)技術(shù)的研究。我國(guó)自上世紀(jì)90年代以來(lái)，也積極開展虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事上的應(yīng)用研究。實(shí)踐資料表明，我軍在使用虛擬維修訓(xùn)練系統(tǒng)后，參訓(xùn)人員有了更多的時(shí)間參與、分析、判斷裝備情況，維修效率比傳統(tǒng)方式提高10～20倍。使用中小型激光雷達(dá)設(shè)備可快速逆向采集裝備的高精度三維點(diǎn)云數(shù)據(jù),在虛擬維修領(lǐng)域可以克服傳統(tǒng)的純正向開發(fā)中所面臨的圖紙不全、分辨率不足、精度不高等固有缺陷，可大幅提升裝備維修、裝配培訓(xùn)效果?；诩す饫走_(dá)逆向重建的虛擬訓(xùn)練作為一種嶄新的模擬方式，必將發(fā)揮更大的作用。

4.2 戰(zhàn)場(chǎng)偵察

激光雷達(dá)三維成像能力強(qiáng)，其數(shù)據(jù)經(jīng)簡(jiǎn)單處理即可得到偵察區(qū)域多層次的三維圖像，在時(shí)效性方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。與光學(xué)和微波成像相比，激光雷達(dá)成像能夠在偵察區(qū)域目標(biāo)的同時(shí)獲得目標(biāo)高程數(shù)據(jù)。激光雷達(dá)數(shù)據(jù)圖像所包含目標(biāo)的位置、體積、形狀等三維立體信息可充分反映目標(biāo)的幾何信息，但不能充分反映目標(biāo)光譜信息；而可見光/紅外電視數(shù)據(jù)圖像包含豐富的目標(biāo)光譜信息，但對(duì)目標(biāo)的幾何信息只能是二維的平面位置信息。將激光雷達(dá)數(shù)據(jù)圖像與可見光/紅外圖像相融合，可發(fā)揮出各自的優(yōu)勢(shì)，提升戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)感知能力，如圖5所示。

在進(jìn)行戰(zhàn)場(chǎng)偵察時(shí)，三維激光雷達(dá)還可用于對(duì)目標(biāo)的自動(dòng)掃描識(shí)別。激光雷達(dá)可快速對(duì)目標(biāo)進(jìn)行激光掃描，獲取目標(biāo)的三維點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)，并進(jìn)行基于量測(cè)參數(shù)或空間分析的智能目標(biāo)識(shí)別，如圖6所示。

圖6 三維自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別

4.3 武器裝備全壽命數(shù)字化管理

20世紀(jì)末的幾場(chǎng)高技術(shù)局部戰(zhàn)爭(zhēng)充分證明，高技術(shù)條件下的軍事對(duì)抗，不再取決于裝備的總體規(guī)模和個(gè)別武器的先進(jìn)性，武器裝備建設(shè)要強(qiáng)調(diào)體系建設(shè)，強(qiáng)調(diào)整體作戰(zhàn)能力，注重裝備全壽命管理，優(yōu)化武器整備體系結(jié)構(gòu)的完整性和適應(yīng)性。裝備全壽命管理中，裝備研制生產(chǎn)、訓(xùn)練使用直到退役報(bào)廢實(shí)行一體化管理，把追求裝備戰(zhàn)技性能、全壽命費(fèi)用、研制進(jìn)度和綜合保障最佳匹配作為目的，以及裝備各分系統(tǒng)、部件之間甚至過往同類型號(hào)的協(xié)調(diào)發(fā)展，貫穿全壽命過程，統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)形成一個(gè)整體。

但目前的裝備制造企業(yè)大多采用人力生產(chǎn)思想開展生產(chǎn)組織，并在此基礎(chǔ)上完成大規(guī)模武器裝備的生產(chǎn)任務(wù)。人力生產(chǎn)具有不確定性且信息處理能力有限。而且武器裝備全壽命管理期間會(huì)經(jīng)歷很多單位，傳統(tǒng)階段管理容易忽略階段之間的繼承性和銜接性，現(xiàn)階段無(wú)法解決在統(tǒng)一平臺(tái)同一標(biāo)準(zhǔn)下進(jìn)行管理，因此，利用裝備真實(shí)三維數(shù)字化平臺(tái)進(jìn)行統(tǒng)一管理尤為重要。將三維激光雷達(dá)技術(shù)人與裝備全壽命各場(chǎng)景有機(jī)結(jié)合，通過逆向數(shù)字化管控可靠地、有效地、可重復(fù)地在裝備全壽命各場(chǎng)景穩(wěn)定運(yùn)作，幫助裝備制造單位提升生產(chǎn)過程中的質(zhì)量穩(wěn)定性，優(yōu)化生產(chǎn)效能。

4.3.1 裝備虛擬裝配

武器裝備目前正向大型化、復(fù)雜化、智能化發(fā)展。大型復(fù)雜武器裝備由數(shù)以萬(wàn)記的部件組成，裝調(diào)繁瑣，它對(duì)產(chǎn)品的裝配工藝以及設(shè)計(jì)效率都有極高的要求。傳統(tǒng)裝配是依據(jù)實(shí)物模型來(lái)完成的，面對(duì)日趨復(fù)雜的武器裝備，裝配工程顯得尤為浩大。若發(fā)生任何微小的錯(cuò)裝現(xiàn)象都可能導(dǎo)致重新拆裝，將大大降低整體裝配效率。通過對(duì)大型復(fù)雜武器裝備采用虛擬裝配技術(shù)，能夠?qū)⒑细竦难b配仿真分析結(jié)果輸出，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)與工藝協(xié)同，并驗(yàn)證工藝可行性，提升裝配效率。

圖7 武器裝備虛擬裝配流程示意

武器裝備虛擬裝配仿真的一般流程：首先，利用激光雷達(dá)掃描成像以及計(jì)算機(jī)點(diǎn)云解算建模，建立裝備零部件的三維數(shù)字化標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)，并標(biāo)注各個(gè)部件零件的裝配關(guān)系及形狀特征，建立虛擬裝配的工件元素；然后，根據(jù)裝備裝配工藝大綱和工藝參數(shù)，建立虛擬裝配步驟，優(yōu)化裝配關(guān)系順序，確定虛擬裝配序列節(jié)點(diǎn)；最后，在虛擬現(xiàn)實(shí)交互硬件的輔助下，可完成裝配者對(duì)武器裝備的裝配和拆卸學(xué)習(xí)、練習(xí)和考核，并且在虛擬裝配中采集各類裝配問題，整理為問題特征信息進(jìn)行分析和調(diào)整，使武器裝備的工藝工序更加合理化，最終滿足零部件生產(chǎn)要求，如圖7所示。

4.3.2 裝備數(shù)字化質(zhì)檢

裝備產(chǎn)品外觀缺陷檢測(cè)是產(chǎn)品質(zhì)檢中的難題之一，目前質(zhì)量缺陷檢測(cè)主要是工人針對(duì)產(chǎn)品的形狀、顏色的變化，通過經(jīng)驗(yàn)比對(duì)來(lái)識(shí)別并分類，而非科學(xué)定量分析，增加了武器裝備質(zhì)量可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

針對(duì)這一亟待解決的問題，可以采用三維激光雷達(dá)技術(shù)形成一種有效的光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)與測(cè)量方法，準(zhǔn)確識(shí)別產(chǎn)品是否存在缺陷及缺陷類型，并在圖像上標(biāo)注缺陷位置。檢測(cè)前，通過最大限度地從樣本數(shù)據(jù)中提取收集裝備產(chǎn)品的CAD模型、生產(chǎn)工藝、缺陷成因、缺陷分布、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)信息，獲得符合裝備數(shù)字化質(zhì)檢要求的先驗(yàn)特征信息，測(cè)量的最終結(jié)果能夠量化成為入射孔徑、景深、視場(chǎng)角、亮度、照度等光譜信息，并通過光學(xué)成像分析系統(tǒng)，將檢驗(yàn)結(jié)果量化成為各類參數(shù)，最后通過與先驗(yàn)特征信息進(jìn)行比較和評(píng)估，確認(rèn)產(chǎn)品缺陷位置和性質(zhì)，生成檢測(cè)報(bào)告，如圖8所示。

圖8 裝備數(shù)字化質(zhì)檢流程

比較和評(píng)估過程中，建立激光雷達(dá)光學(xué)微觀分析系統(tǒng)對(duì)于研究不同材料表面的處理工藝和形態(tài)構(gòu)造，具有很好的指導(dǎo)性。例如，在非金屬材料纏繞工藝產(chǎn)品中會(huì)因應(yīng)力不均出現(xiàn)一種表面缺陷，但在人眼視覺下只能判定這種缺陷為“具有不一致顏色變化的表面差異”。在這種情況下，利用光學(xué)折返特性原理，采用激光雷達(dá)光學(xué)微觀分析系統(tǒng)，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行多時(shí)相的2D和3D微觀掃描，進(jìn)一步比對(duì)生成的圖像就能發(fā)現(xiàn)光學(xué)折返射特性的變化差異，最終將與先驗(yàn)信息對(duì)齊后的準(zhǔn)確圖像輸出，判斷出表面缺陷的特征。此外，3D多時(shí)相性邊界對(duì)比和特征實(shí)時(shí)變化對(duì)比，可用于武器裝備的實(shí)時(shí)毀傷效果評(píng)估以及周期性的形變分析檢測(cè)。

5 結(jié)束語(yǔ)

激光雷達(dá)技術(shù)雖已取得飛躍性的發(fā)展，但要想真正成為戰(zhàn)略武器系統(tǒng)的一部分，還面臨著巨大的瓶頸，目前激光雷達(dá)較高的技術(shù)壁壘和成本價(jià)格，使其推廣和產(chǎn)品落地受阻。盡管如此，激光雷達(dá)的軍事應(yīng)用水平從根本上代表著未來(lái)軍備的發(fā)展方向。其將來(lái)在軍事上的應(yīng)用極可能對(duì)我軍的整體作戰(zhàn)戰(zhàn)略以及作戰(zhàn)方式產(chǎn)生顛覆性的影響力。相信假以時(shí)日，在前沿技術(shù)的推動(dòng)下，激光雷達(dá)必定能在未來(lái)戰(zhàn)爭(zhēng)中擔(dān)任更為重要的角色。

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Application Status and Development Trend of Lidar Technology in Military Field

Fan BoxuanChen GuimingChang LiangChang DongZhao Zhe

(1. Rocket Force Engineering University, Xi’an 710025; 2. The First Military Representative Office of the Rocket Force Equipment Department in Xi’an Area, Xi’an 710025)

Lidar technology has set off a technological innovation in the military field because of its synchronization, speed, and high precision. The article introduces the application status of Lidar in the military field in detail, and especially emphasizes the application advantages in the military field. Finally, it summarizes the development trends in three military fields, namely virtual training, battlefield reconnaissance, and full-life digital management and control of equipment.

lidar；reconnaissance and detection；military application；three-dimensional modeling

TN958.98

A

樊博璇（1987），博士，兵器科學(xué)與技術(shù)專業(yè)；研究方向：武器系統(tǒng)運(yùn)用與保障工程。

2021-04-13