LiDAR系统在掉电时为直升机飞行员提供清晰的视线

　　随着反恐战争的继续，直升机在战斗和民用任务中都发挥着至关重要的作用，从医疗后送到机组人员运输。由于简易爆炸装置的威胁，直升机现在正成为往返任务坐标的首选方式。但在像阿富汗这样的干旱环境中，着陆能见度不断受到停电条件的阻碍。

　　当直升机起飞或降落在沙子上或尘土覆盖的地点时，就会发生“停电”，而积雪覆盖的地点会产生“白化”。直升机旋翼的旋转导致空气中形成尘埃（或雪）颗粒云，模糊了飞行员的视线，从而模糊了他们的态势感知。当飞行员没有安全降落直升机所需的视觉提示时，结果可能是致命的。

　　近年来，美国陆军记录了40多起在美国境内各种训练设施造成事故的停电条件。加上行动区内的行动，自1991年以来，这一数字跃升至230起飞机损坏和/或受伤案件。从2001年到2007年，80%的事故发生在着陆过程中，而只有20%发生在起飞时。据估计，停电每年给美国造成的损失估计为1亿美元。

　　调查这个问题的解决方案已成为军方的高度优先事项。直到最近，还没有开发出明确的解决方案。然而，一种新的改进型LiDAR视觉系统正在出现，即遮蔽穿透自同步LiDAR，简称为OPAL。它的早期原型已经在各种环境中进行了测试，并被证明是强大而强大的。

　　事实证明，OPAL穿透掉电和白光的能力比传统的激光雷达更有效。当与红外摄像机和增强视觉系统（AVS）等系统中的地形数据库结合使用时，可以为直升机飞行员创建强大的合成视觉系统 - 在掉电和白光条件下实现视线，并确保安全起飞和着陆。

　　OPAL 与传统激光雷达的比较

　　存在几个旨在提高直升机飞行员能见度的系统。尽管这些传感器有一些优点，但它们在掉电和白光条件下效率低下。例如，红外热像仪在能见度差的条件下（如雾）是有效的，但在含有与热像仪工作波长相当的颗粒的尘埃云中运行时，红外热像仪会受到限制。此外，毫米波 （MMW） 雷达、闪光灯 LADAR 和范围门控摄像机在掉电和白光条件下也无效。例如，由于其波长较长，MMW雷达可以深入掉电或白光，但空间分辨率较差，无法清楚地定义目标图像。闪光灯LADAR和范围门控相机协同工作，在一个激光射击脉冲中创建完整的视场（FOV）。虽然这提供了高分辨率，但它缺乏穿透气溶胶云深处的能力，因为这些设备中的光源必须为每个射击脉冲扩散到FOV中。

　　此外，市场上还有几种旨在提高直升机飞行员能见度的系统。虽然红外 （IR） 摄像机与合成地形数据库的各种组合为处理环境条件和污染提供了有效的解决方案，但它们在掉电和白光方面并不总是有效的。类似于在带有远光灯的浓雾中行驶，当尘埃云包含与相机工作波长大小相当的颗粒时，视觉系统无法穿透气溶胶云以确定其中是否有任何物体。

　　许多有源传感器（如LiDAR）比无源传感器能够进一步渗透到掉电和白光中。激光雷达发射自己的能量，使用激光射击脉冲来收集数据。使用飞行时间 （TOF） - 即测量从其路径中的对象/目标来回行进所需的时间 - 通过收集传感器数据并使用数据集创建 3D 图像或模型来创建飞行路径或着陆点的图像。

　　由于传统的LiDAR是由返回脉冲的上升沿触发的，而没有与埋在气溶胶中的目标分离的脉冲，因此该LiDAR只能在掉电或白光情况下报告最近的气溶胶范围。因此，OPAL是专门为解决这个问题而开发的。

　　系统如何工作

　　OPAL 提供比传统 LiDAR 更高的信噪比，从而提高检测概率和/或更大范围的深度能力。其双基地光学设计可提供可靠的结果，专有设计使OPAL能够扫描全视场并快速获取3D数据 - 这是使用双基地设计的传统有源传感器无法做到的。在CAE的AVS等系统中将OPAL与红外摄像机和地形数据库一起使用，飞行员可以获得强大的合成视觉系统。

　　地形数据库必须使用AVS系统在初始扫描时收集的数据，或使用从制图处理组织购买的数据，或两者的组合进行预填充。该系统能够在下降到掉电或白化之前和下降期间准确绘制直升机着陆区的高度详细和准确的表示，向飞行员提供飞机周围世界的稳定抬头/抬头视图，以便在悬停、着陆和起飞情况下获得最佳态势感知。

　　这一点至关重要，因为地形数据库可以创建准确的地理特定世界表示，并将 OPAL 和红外摄像机收集的信息与数据库中包含的信息进行比较。很简单，扫描区域叠加到合成世界上，并且可以快速轻松地检测到变化。

　　这种类型的合成视觉系统为飞行员提供了对物理/地理环境的完整感知。当与头戴式视觉系统在头顶显示器中结合使用时，飞行员可以获得几乎无限的瞬时视野，而与当前的地理条件无关。

　　直升机系统测试

　　使用魁北克省瓦尔卡蒂埃的加拿大国防研究与发展部（DRDC）的气溶胶研究走廊进行的初步测试涉及将OPAL的性能与包括人眼（可见光相机）和红外相机在内的各种无源传感器的性能进行比较。

　　气溶胶室是一座狭长的建筑物，容纳了可见光和红外目标。可见目标是一块带有黑白条纹的板，供可见光相机聚焦。红外摄像机的红外目标是带有加热棒的框架。目标被放置在腔室的后面，门被关闭以分散室内的气溶胶。可见光相机、红外摄像机、OPAL 和透射仪距离腔室约 100 米。当门打开时，传感器在0.5秒内开始收集数据，并继续收集数据，直到气溶胶云的密度变得太薄而无法收集进一步的测量值。

　　检测因子 - 定义的参数，即OPAL或IR相机检测目标时的气溶胶密度与可见光相机检测目标时的气溶胶密度之比 - 用于比较OPAL的性能与被动传感器。

　　在沙子、灰尘和雾气溶胶条件下，OPAL 比眼睛和红外摄像机穿透得更远。事实上，OPAL能够穿透50微米的沙尘，比眼睛穿透的密度高4倍，穿过6微米的灰尘，比眼睛可以穿透的密度高6.6倍，以及穿透密度超过7.6倍的雾。这归因于OPAL的时序判别，降低了散射效应。尽管如此，结果表明，OPAL可用于检测掉电条件下的障碍物，比测试的其他选项更有效。

　　为了进一步评估系统原型在常规和白光条件下，2007年2月在加拿大渥太华北部的Crash Lake进行了一次试飞。AVS系统安装在国家研究委员会的加拿大贝尔412直升机下，然后飞往由空地组成的着陆点。场地的中心是一个灌木丛和岩石的区域，而场地的一侧是树木，另一侧是平坦的冰冻湖。该系统用于在不同直升机机动下扫描着陆点：在飞越或接近操作中使用推扫帚扫描，在悬停操作中使用光栅扫描模式。

　　为了创造白化条件，直升机悬停在靠近地面的地方，以便在旋翼运动时产生雪云。在这次测试中，由海王星设计集团和AVS开发的OPAL提供了出色的结果。如图1所示，飞行员可以清楚地看到雪云后面的地面和树木。

　　推扫帚扫描的结果清楚地说明了飞越路径以及着陆点上的树木和障碍物的3D景观。这证明了OPAL在飞行过程中机械维持振动的能力，同时集成为AVS系统的主动传感器。它还表明，OPAL数据和直升机导航数据可以成功地融合在一起，以生成地理参考的3D图像。

　　获得更清晰的视角

　　OPAL/AVS系统是一个非常具体的应用，专门用于对抗掉电和白化条件的不利影响。OPAL的独特功能为飞行员提供了清晰的着陆区视图。能见度和态势感知对于着陆或起飞至关重要，从而防止有时可能致命的事故。

　　审核编辑：郭婷