張清源，李 麗，李全熙，董光焰

(1.中國電子科技集團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部隊裝備部，山東威海264200）

直升機防撞激光雷達綜合信息處理系統(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部隊裝備部，山東威海264200）

設計了一種新型直升機載防撞激光雷達綜合信息處理系統(tǒng)。通過對直升機姿態(tài)信息的捕獲和修正、目標提取與識別、數(shù)據(jù)三維空間轉換等技術，設計并實現(xiàn)了直升機載激光雷達的改進綜合信息處理及顯示，并且采用掃描成像激光雷達的探測試驗對以上技術進行了實際驗證。試驗結果表明：該系統(tǒng)有效減小了直升機機動飛行時激光雷達探測畫面的畸變，在橫滾角30°時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的迅速提取；實現(xiàn)了探測畫面的三維綜合高效顯示，綜合處理時間＜10 ms。本文提出的新的直升機載激光雷達綜合信息處理方式有效改良了人機界面。

直升機；激光雷達；綜合信息處理系統(tǒng)

1 引 言

直升機由于其快速、便捷的飛行優(yōu)勢而廣泛應用于偵查、救援、運輸?shù)榷鄠€領域。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，直升機飛行的安全通道確認仍然以飛行員的目視觀察為主要手段，在能見度不良時，直升機往往很難對低空障礙物有充足的避障反應時間。

激光雷達作為一門新興的技術，是傳統(tǒng)雷達技術與現(xiàn)代激光技術相結合的產物。由于其具有極細的探測波束角，問世不久便用于探測直升機前方不易觀察的障礙物［1］。目前，各國針對激光雷達探測直升機障礙物的研究仍受到關注。

直升機載激光雷達由激光雷達光機頭、綜合信息處理機、顯示終端3個基本單元構成。其中光機頭安裝于直升機機腹下方，其視軸與直升機前視場中軸線平行。激光雷達通過二維高速掃描振鏡掃描空域，實現(xiàn)密集點陣式探測。

綜合信息處理機通過對探測點陣內各種目標的回波信號處理得到目標的距離信息，并經過濾波、存儲、排序、統(tǒng)計、映射變換、實時修正、圖像重構等處理，得到目標的距離、方位三維圖像。然后，經圖像處理識別危險目標，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，根據(jù)障礙物目標類型、距離劃分危險等級，適時發(fā)出聲、光告警，給出安全通道指示，提醒駕駛員采取相應的規(guī)避措施，保證直升機低空安全飛行。

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

2 設計要點

隨著技術的進步，直升機載激光雷達在機載環(huán)境適應性、探測覆蓋范圍、探測分辨率、數(shù)據(jù)更新速率、微小目標有效探測距離等領域均獲得較大發(fā)展，已基本滿足使用要求。但在實際使用中，由于激光雷達與直升機常用觀測設備的信號處理方式存在明顯差異，人機交互界面不夠友好，導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的有效使用。因此，本系統(tǒng)設計的先進性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)機動條件下探測數(shù)據(jù)的修正

出于可靠性、成本等多方面考慮，激光雷達光機頭往往直接固定于直升機機身，而在實際飛行中，直升機往往會進行轉彎、起伏等各種機動動作，從而在激光雷達探視場內引入相應的側滾角及俯仰角。此時呈現(xiàn)在飛行員眼前的是一幅翻轉變形的探測圖像，很難對探測信息進行快速判讀。通過對激光雷達探測圖像進行直升機姿態(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)高危細微目標的快速有效提取

在直升機飛行過程中，雖本身擁有目視、CCD、夜視儀、氣象雷達等多種探測手段，但由于存在分辨率、全天時等方面的局限，其往往不能及時發(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飛行安全產生了巨大的威脅。激光雷達具有獨特的探測特性，可在相當距離內迅速檢測到電力線之類的障礙目標，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，激光雷達可將電力線等細微目標作為高危目標單獨提取出來［2］，并迅速告知飛行員，從而實現(xiàn)對此類目標的有效規(guī)避。

同時，由于直升機功能的復雜化和缺乏設計標準，越來越多的信息引入到直升機綜合顯示終端，導致信息過多、混亂，增加了飛行員的工作負荷，延遲了認知和判斷的時間［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提取的真實有效，避免激光雷達頻繁發(fā)出虛假警報情況的發(fā)生。

(3)人機界面改良

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

圖1 激光雷達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，當障礙物淹沒于背景中時，即便顏色有所區(qū)別，在沒有占據(jù)足夠多像素點前，飛行員往往很難清晰判讀出障礙物方位及形狀。因此，需對人機界面進行改進，以便迅速及時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

直升機載激光雷達綜合信息處理系統(tǒng)硬件構成如圖2所示。

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

圖中時序控制器負責整機內部時序控制，距離生成器用于探測位置的目標距離解算，圖像生成器對探測數(shù)據(jù)進行點陣排布，生成初步探測畫面。

姿態(tài)修正單元、目標識別單元、綜合顯示單元為本設計的主要研究內容。

3.1 姿態(tài)修正單元

激光雷達掃描得到的探測數(shù)據(jù)通常用橫坐標表示方位，縱坐標表示俯仰，不同的距離信息為第三維的顯示方式。對于翻轉變形的激光雷達探測圖像，為實現(xiàn)飛行員對數(shù)據(jù)的快速判讀，激光雷達姿態(tài)修正單元需對探測圖像依照直升機側滾角度進行逆向旋轉補償。

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

對于原始的N×M個像素所表示的一幀圖像，最后橫向像素個數(shù)擴展為A倍，列向像素個數(shù)擴展為B倍，并將圖像順時針旋轉c度(c為每幀錄取的直升機側滾角的平均值)。

像點位置變換前為［X，Y］，變換后為［X1，Y1］，變換關系為［4］：

根據(jù)坐標變換關系，得到新的坐標系，和原始距離信息一一對應之后，即可得到坐標擴展并且姿態(tài)修正后的顯示圖像。

3.2 目標識別單元

對于飛行員不易察覺的重要目標電力線設計了獨立的處理模塊，分離出背景中的電力線，自動提取電力線信息，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，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，需要對其進行濾波處理。根據(jù)噪聲比較隨機且與周圍目標相關性小，噪聲數(shù)據(jù)和周圍的目標距離相差很大這些特點，對圖像單點噪聲進行了剔除。處理后的電力線圖像通過直方圖統(tǒng)計，獲取距離最集中的電力線，給出距離數(shù)據(jù)，進行單獨告警。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，經過單點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。

3.3 綜合顯示單元

在檢測到目標的基礎上，激光雷達綜合顯示單元需對目標威脅度進行判斷并顯示。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為嚴重威脅區(qū)域，400 m以內為極危險區(qū)域。

在當前實際應用中，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，在本設計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現(xiàn)對障礙物信息的有效判讀。

在國外，機載激光3D成像系統(tǒng)測量技術已經相當成熟，硬件技術與系統(tǒng)問題研究基本解決，但相應的數(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現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的三維顯示轉換。

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

激光雷達測量數(shù)據(jù)進行三維空間映射計算方法如下［9］：

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

綜合以上手段，對原始測量數(shù)據(jù)進行直升機姿態(tài)的修正后，再對所有障礙物進行不同距離、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，同時將提取出的電力線等高危障礙物在顯示界面上進行閃爍加重顯示，以進一步提醒飛行員注意。

4 試驗結果

本套系統(tǒng)通過了試驗驗證，其中姿態(tài)修正單元與目標識別單元進行了實際飛行試驗驗證，綜合顯示單元進行了計算機仿真試驗驗證。

(1)飛行試驗驗證

進行了直升機掛載激光雷達的實際飛行驗證，試驗設備構成框圖如圖4。使用的激光雷達最遠可有效探測400～600 m的細微目標及2.5 km的較大目標。具體試驗結果見表1。

圖4 飛行試驗驗證硬件構成框圖Fig.4 Block diagram of hardware in experiment system

表1 激光雷達飛行試驗條件Tab.1 Flight experimental conditions of laser radar

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

試驗結果表明：兩種技術均取得了較好的效果。

通過對姿態(tài)慣導設備的信號提取及相應修正，激光雷達可實現(xiàn)對探測區(qū)域圖像的實時修正，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探測圖像水平向與實際水平向一致，明顯改善了探測圖像質量。實測結果表明：在保證探測有效性及成像質量的前提下，在橫滾角30°范圍內，均可迅速實現(xiàn)探測圖像的修正。

通過對電力線目標的特征提取及相應算法改進，可實現(xiàn)對直升機飛行安全影響最大的電力線目標的快速提取及單獨顯示。實測結果顯示，該算法可在600 m距離有效識別電力線目標。

圖6 激光雷達探測目標電力線提取圖像Fig.6 Image ofwire acquired by laser radar detection

(2)計算機仿真驗證

對前期得到的激光雷達探測圖像進行了計算機仿真驗證，試驗原理框圖如圖7所示，試驗輸入分辨率為640×480的原始圖像，經轉換后得到相同分辨率的三維立體顯示圖像。

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

通過對激光雷達探測數(shù)據(jù)的三維空間映射排布，可快速實現(xiàn)探測數(shù)據(jù)的三維立體顯示，有效改善人機界面。圖8為激光雷達探測圖像經綜合顯示轉換后得到的三維顯示畫面。畫面中對當前高度直升機飛行可能產生威脅的目標以紅色標識顯示，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)。

綜合信息處理所導致的時延不超過10 ms，結合激光雷達自身掃描成像所需時間，從開始探測到最后形成告警所用的時間不超過1 s，足夠飛行員采取回避動作。

圖8 激光雷達三維合成視景圖Fig.8 Three-dimensional synthesized vision diagram of laser radar detected image

5 結 論

本套系統(tǒng)在3項關鍵技術上進行了理論研究，設計實現(xiàn)了相應電路及軟件，并進行了相關試驗驗證。試驗結果表明：系統(tǒng)設計合理，工作有效，在直升機橫滾角30°范圍內均可實現(xiàn)圖像的快速修正，可迅速實現(xiàn)600 m范圍內細微特征目標的提取，有效改善了直升機載激光雷達的人機界面，綜合信息處理時間不超過10 ms。該系統(tǒng)可進一步增強激光雷達在直升機載設備領域的應用。

如今，直升機載光電探測設備已包含CCD、紅外成像、微波雷達、毫米波雷達等多種類型，而激光多應用在測距、制導等方面，激光雷達在直升機載探測設備領域只獲得了極個別的應用。這主要是受其技術難度高，工程應用不成熟，而且在惡劣天氣時性能下降等因素的制約。但激光雷達的優(yōu)勢仍受人關注，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、具備全天時工作能力等。鑒于此，國外針對直升機載激光雷達工程應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，激光雷達加入直升機載光電探測設備序列只是時間問題。

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作者簡介：

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

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

李全熙(1972—)，男，山東濰坊人，碩士，2012年于中國海洋大學獲得碩士學位，主要從事激光雷達方面的研究。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年于長春光學精密機械學院獲學士學位，2009年于西安電子科技大學獲得工程碩士學位，主要從事空間光電系統(tǒng)、激光雷達等方面研究。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