直升機(jī)三維場景感知技術(shù)及初步驗(yàn)證

徐佳龍

(海軍駐南京地區(qū)航空軍事代表室，南京 210002)

0 引言

直升機(jī)各類事故中，因與低空飛行走廊上的山丘、樹木等自然物體及電力線、電線桿、建筑物等人造物體碰撞引起的比例約占35%;在致命事故中，這一比例更高。除低空飛行時(shí)與飛行走廊上障礙物碰撞的風(fēng)險(xiǎn)外，直升機(jī)在地面遍布沙塵或積雪的地點(diǎn)著陸時(shí)，旋翼吹起的大量灰塵會(huì)影響甚至完全遮蔽飛行員視線，導(dǎo)致飛行員方向感喪失，這就是直升機(jī)特有的“塵迷”現(xiàn)象?！皦m迷”現(xiàn)象可能導(dǎo)致直升機(jī)降落時(shí)與未知障礙物碰撞。從廣義上，這也屬于防撞的范疇[1]。

為解決直升機(jī)飛行和著陸過程中高效態(tài)勢(shì)感知問題，可考慮的技術(shù)途徑包括毫米波和激光雷達(dá)，前者穿透能力強(qiáng)，后者則具有分辨率高的優(yōu)勢(shì)。無論是哪種技術(shù)途徑，針對(duì)直升機(jī)這種應(yīng)用場景，均要解決態(tài)勢(shì)感知中的兩大要點(diǎn):(1)提高測量精度，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維輪廓的準(zhǔn)確測量和描述;(2)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)雜波背景中的弱小目標(biāo)，特別是電力線的檢測。

本文首先從四個(gè)方面介紹提高測量精度的途徑;然后，通過對(duì)電力線散射特性分析提煉提高檢測概率可能途徑;最后，通過一套毫米波雷達(dá)完成外場初步驗(yàn)證。

1 提高測量精度的途徑

1.1 窄波束

提高測量精度最直接的途徑是壓窄天線波束，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)空域高分辨。直升機(jī)防撞雷達(dá)可選擇毫米波雷達(dá)或激光雷達(dá)，目的均是為了壓窄探測波束，進(jìn)而提高對(duì)于三維位置的準(zhǔn)確測量。

單從提高分辨率的角度，激光雷達(dá)比毫米波雷達(dá)更理想。通過激光雷達(dá)的窄波束準(zhǔn)確測出各個(gè)目標(biāo)的高度，在此三維位置數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上通過圖像處理算法、針對(duì)特定視角生成透視畫面。

圖1和圖2為美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室的3D-LZ激光雷達(dá)在尤馬試驗(yàn)場獲取的成像效果，通過對(duì)光學(xué)圖像和激光雷達(dá)圖像的對(duì)比可知，試驗(yàn)場內(nèi)的直升機(jī)、車輛、房屋、電線桿等目標(biāo)可清晰辨別[2]。

圖1 光學(xué)成像效果

圖2 激光雷達(dá)成像效果

相比之下，直升機(jī)毫米波防撞雷達(dá)的波束寬度通常為1°～2°，比激光雷達(dá)寬一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不能如激光雷達(dá)那樣獲得場景內(nèi)具體細(xì)節(jié)的描述。圖3為一部波束寬度為1°的毫米波雷達(dá)對(duì)尤馬試驗(yàn)場的三維成像結(jié)果[3]。從圖像中僅能判別障礙物的粗略形狀和高度。然而，從應(yīng)用角度上，這種圖像效果也足以支撐直升機(jī)規(guī)避障礙物飛行。

圖3 毫米波雷達(dá)成像結(jié)果

1.2 虛擬孔徑

多輸入多輸出(MIMO)技術(shù)提出后，雷達(dá)界一直在研究其應(yīng)用方向。MIMO技術(shù)并不會(huì)提升雷達(dá)探測距離，然而具備拓展天線虛擬孔徑，提高角度分辨率的潛力。因此，MIMO在低頻段雷達(dá)上的應(yīng)用成為熱點(diǎn)。低頻段雷達(dá)具有大氣損耗小、反隱身的優(yōu)勢(shì)，然而分辨率差。具有M個(gè)發(fā)射天線和N個(gè)接收天線的MIMO陣列可等效為具有一個(gè)發(fā)射天線和MN個(gè)接收天線的相控陣。因而，依托于MIMO技術(shù)，可采用稀疏布置的單元振子達(dá)到與高頻段雷達(dá)相當(dāng)?shù)慕嵌确直媛省?/p>

比如:穿墻雷達(dá)為實(shí)現(xiàn)對(duì)墻體的穿透，需要采用低波段。通過將MIMO技術(shù)應(yīng)用于穿墻雷達(dá)，確保在低波段的前提下同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)墻后體目標(biāo)的高分辨近場成像。圖4為荷蘭代爾夫特大學(xué)研制的十字形稀疏陣列及對(duì)墻后手槍目標(biāo)成像結(jié)果。

圖4 MIMO陣列布置及成像結(jié)果

由于MIMO技術(shù)在提高雷達(dá)分辨率方面特有的優(yōu)勢(shì)，雷達(dá)界開始考慮將其應(yīng)用于直升機(jī)防撞。文獻(xiàn)[4]提出了相應(yīng)的設(shè)想。雷達(dá)充分利用平臺(tái)尺寸布置天線陣列，陣列采用T字形，頻段可選擇X波段或Ka波段，規(guī)模分別為24×24和32×32，實(shí)現(xiàn)了多波束高度精確測量。

1.3 高度維相位干涉

干涉測高技術(shù)主要在干涉合成孔徑雷達(dá)(SAR)中得到應(yīng)用，普通的SAR成像僅能實(shí)現(xiàn)二維高分辨成像，通過兩部具有高度差的天線對(duì)同一場景分別成像，通過比對(duì)可提取場景中的高度信息。

直升機(jī)三維場景構(gòu)建過程中，雷達(dá)并未進(jìn)行SAR成像，因而不能完全采用干涉SAR的處理流程。不過在進(jìn)行高度維信息提取時(shí)可采用類似的處理方法，通過垂直放置的兩部天線，同時(shí)接收回波，完成相位測量后提取目標(biāo)高度信息。德國RST公司提出的方案是采用方位360°旋轉(zhuǎn)、一發(fā)兩收的天線布置，且兩部接收天線高度維具有一定高差。RST公司與以色列共同完成了直升機(jī)飛行及著陸雷達(dá)的研發(fā)。

1.4 俯仰超分辨

若雷達(dá)只有一部俯仰波束非常寬的天線，且無法通過和差處理或干涉處理進(jìn)一步提高測量精度，則可采用“空間切片”的方式構(gòu)建立體場景。

文獻(xiàn)[5]中，采用一部俯仰寬波束的毫米波雷達(dá)進(jìn)行多行掃描實(shí)現(xiàn)3D場景構(gòu)建。雷達(dá)俯仰多行間采用0.1°的步進(jìn)，形成了層疊的“方位-距離”數(shù)據(jù)庫。利用高端3D視頻處理，可構(gòu)建3D體模型，且?guī)蔬_(dá)到30 Hz。處理示意圖如圖5所示。

圖5 空間切片構(gòu)建立體場景示意圖

某種意義上來說，該處理源自于前視方位超分辨技術(shù)，只是將處理維度從方位轉(zhuǎn)化為俯仰。由于實(shí)孔徑雷達(dá)信號(hào)在空間域是天線方向圖與目標(biāo)后向散射系數(shù)的線性卷積特性，因而通過解卷積操作來獲得目標(biāo)準(zhǔn)確的角度位置信息。經(jīng)過分析，該技術(shù)具有將角度銳化比達(dá)到10以上的潛力。

2 電力線散射特性

電力線的雷達(dá)橫截面(RCS)值特性非常復(fù)雜，見圖6。不但隨觀察角劇烈變化，而且當(dāng)觀察角較大時(shí)RCS值非常小。因此，電力線是非常難以探測的目標(biāo)。電力線的特性決定了當(dāng)對(duì)其垂直照射時(shí)，具有較強(qiáng)的回波，然而一旦偏離了垂直方向，只能寄望于兩側(cè)出現(xiàn)布喇咯峰，否則回波強(qiáng)度非常弱。研究表明:布喇咯峰值的角度差與雷達(dá)頻段及電力線直徑、絞距等參數(shù)均有關(guān)系[6]。

圖6 電力線結(jié)構(gòu)形式示意圖

Sarabandi等人曾經(jīng)在暗室中對(duì)長度為30 cm，直徑分別為1.20 cm、2.22 cm、3.01 cm、3.52 cm 的4 種電力線進(jìn)行35 GHz測試，測試結(jié)果如圖7所示。可明顯看到等間隔排列的三個(gè)主峰。

圖7 4種電力線的散射特性實(shí)測結(jié)果

文獻(xiàn)[7]在外場利用35 GHz和94 GHz雷達(dá)對(duì)于電力線進(jìn)行了回波測量?？梢妰蓚€(gè)頻段都呈現(xiàn)出周期性的回波特性，94 GHz的角度間隔更小，與理論和實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果均相吻合。然而，在偏離垂直入射角15°外，仍然有一些較強(qiáng)的回波出現(xiàn)，分析認(rèn)為可能來自于導(dǎo)線的非規(guī)則性，如圖8所示。

由于電力線獨(dú)特的回波特性，當(dāng)采用毫米波雷達(dá)進(jìn)行探測時(shí)，難以確保對(duì)于整條電力線完全探測，只能實(shí)現(xiàn)一定角度范圍內(nèi)的目標(biāo)探測。需盡量從信號(hào)處理角度反演電力線走向。

圖8 外場電力線散射特性測量

3 電力線探測試驗(yàn)

為了摸索電力線的散射特性，研制了一部試驗(yàn)雷達(dá)樣機(jī)系統(tǒng)，在野外進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)。圖9為數(shù)據(jù)錄取區(qū)域場景圖。電力線懸掛于右側(cè)的鐵塔和左側(cè)的高大電線桿之間，包括三根較粗的鋼芯鋁絞線和兩根較細(xì)的電線，左側(cè)高電線桿距雷達(dá)約200 m，右側(cè)鐵塔距離雷達(dá)約300 m。

圖9 電力線探測測試場景

試驗(yàn)系統(tǒng)為Ka波段，波束寬度約為2°，試驗(yàn)過程中，方位向進(jìn)行±30°掃描、俯仰向進(jìn)行10行掃描。圖10中的兩幅圖分別對(duì)應(yīng)第6行、第7行的回波，俯仰波束指向分別為 6.8°和 8.4°。

電力線的回波與理論值基本吻合。當(dāng)雷達(dá)波束垂直于電力線時(shí)，會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)散射點(diǎn)，與垂直角度偏差15°左右時(shí)，會(huì)出現(xiàn)較強(qiáng)的布喇咯散射點(diǎn)。此外，雖然相鄰掃描行之間的角度差僅有1.8°，但是回波特性仍然有較為明顯的差異，特別是近距離小電線桿的回波強(qiáng)度變化更明顯。

考慮到本次試驗(yàn)的鋼芯鋁絞線僅有3根，而野外大部分架空高壓線所采用的鋼芯鋁絞線數(shù)目通常達(dá)到10根以上，因而回波要更強(qiáng)一些，探測性能可能將更理想。

4 結(jié)束語

本文首先梳理出直升機(jī)防撞探測中面臨的高精度測量和弱小目標(biāo)探測兩大難點(diǎn)，隨后介紹了實(shí)現(xiàn)高精度測量的四條潛在技術(shù)途徑，以及電力線散射特性及國外的研究情況。

在此基礎(chǔ)上，依托一部Ka波段試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)，對(duì)于電力線目標(biāo)進(jìn)行了探測試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了電力線的回波特性及高分辨雷達(dá)多行掃描的回波特性?，F(xiàn)階段的試驗(yàn)還不夠深入，后續(xù)將進(jìn)一步有針對(duì)性開展研究。

[1]徐艷國.直升機(jī)防撞雷達(dá)關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展趨勢(shì)[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2011，33(2):9-12 Xu Yanguo.Key technologies and development trends of helicopter collision avoidance radar[J].Modern Radar，2011，33(2):9-12.

[2]Savage J，Harrington W，Andrew M R，et al.3D-LZ helicopter ladar imaging system[C]//SPIE Conference on Laser Radar Technology and Applicaitons XV.Orlando，F(xiàn)L:SPIE Press，2010.

[3]Taylor T.Rotorcraft visual situational awareness(VSA):solving the pilotage problem for landing in degraded visual environments[C]//SPIE Conferonce on Enhanced and Synthetic Vision.Orlando，F(xiàn)L:SPIE Press，2009.

[4]Longstaff I D，Ashoka H，Kilpatrick T.MIMO Radar developments at Teledyne Australia[C]//Radar Conference.Adelaide，SA:IEEE Press，2013:184-187.

[5]Takács B.3D volumetric radar using 94 GHz millimeter waves[C]//SPIE Conference on Enhanced and Synthetic Vision.Orlando，F(xiàn)L:SPIE Press，2006.

[6]張 瑞，魏璽章.毫米波段高壓線電磁散射特性分析[J].現(xiàn)代雷達(dá)，2009，31(2):25-28.Zhang Rui，Wei Xizhang.Electromagnetic scattering analysis of high voltage transmission line in millimeter wave[J].Modern Radar，2009，31(2):25-28.

[7]Essen H，Boehmsdorff S.On the scattering mechanism of power lines at millimeter-waves[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2002，40(9):1895-1902.