機(jī)載條紋管成像激光雷達(dá)在拍岸區(qū)探測(cè)水雷

王 力，劉 峽，王 玥，吳中平

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

我國(guó)海岸線、島岸線漫長(zhǎng)，岸線多為沙底、泥底、礁石等，其海域特點(diǎn)是水淺，并且受到潮汐變化的影響，是敵方實(shí)施布雷封鎖的理想地帶。在我國(guó)的海洋拍岸區(qū)，一旦被敵方布設(shè)水雷，受潮汐的沖刷水雷可能會(huì)被掩埋、半掩埋、或藏于礁石中，在低潮期還會(huì)露出水面，對(duì)付這種拍岸區(qū)水雷目前還沒(méi)有很好的探測(cè)、識(shí)別、處理等反水雷手段。因?yàn)樗珳\，常規(guī)獵掃雷艦艇和裝備不能進(jìn)入，聲吶也不能對(duì)水雷進(jìn)行有效探測(cè)，無(wú)法進(jìn)行獵掃雷作業(yè)。另一方面，海外利益的保護(hù)、海外撤僑等也可能有登陸行動(dòng)，特別是在臺(tái)獨(dú)勢(shì)力引發(fā)臺(tái)海局勢(shì)惡化，必然會(huì)有登陸作戰(zhàn)，這些行動(dòng)都有可能面臨拍岸區(qū)反水雷問(wèn)題。還有南海島礁問(wèn)題，未來(lái)也可能有拍岸區(qū)反水雷作業(yè)的需求。綜上所述，為了填補(bǔ)拍岸區(qū)反水雷空白，考慮到激光雷達(dá)已經(jīng)在國(guó)內(nèi)外多領(lǐng)域得到應(yīng)用[1]，可以利用無(wú)人機(jī)作為空中載體，搭載藍(lán)綠激光掃描探測(cè)系統(tǒng)，對(duì)拍岸區(qū)的水雷進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別，以解決拍岸區(qū)水雷探測(cè)、識(shí)別的難題。

1 藍(lán)綠激光成像雷達(dá)

條紋管激光成像雷達(dá)（STIL）是20世紀(jì)末在美國(guó)報(bào)道的一種技術(shù)[2-3]，是一種新型激光成像雷達(dá)，具有探測(cè)靈敏度高、視場(chǎng)大和距離分辨率高等特點(diǎn)。與其它光學(xué)成像技術(shù)相比，藍(lán)綠激光條紋管激光成像雷達(dá)能獲得空中、岸邊、水下目標(biāo)的三維信息，是一種先進(jìn)的空中、水下成像技術(shù)。

依據(jù)瞬態(tài)光學(xué)中高精度微弱信號(hào)測(cè)量原理，使用條紋管作為成像雷達(dá)的四維像探測(cè)器[4]，工作原理如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)將激光回波光信號(hào)的像成在狹縫上，狹縫取出的一維空間信息通過(guò)中繼透鏡成像在變像管的光電陰極上。當(dāng)光電陰極上的狹縫部分被光脈沖照明時(shí)，將發(fā)射光電子，其瞬態(tài)發(fā)射密度正比于該時(shí)刻的光脈沖強(qiáng)度，因此光電陰極發(fā)出的電子脈沖在時(shí)空結(jié)構(gòu)上是入射光脈沖的復(fù)制。電子脈沖經(jīng)靜電聚焦系統(tǒng)聚焦進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)。偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)上加有隨時(shí)間線性變化的斜坡電壓[5]，不同時(shí)刻進(jìn)入偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的電子受到不同偏轉(zhuǎn)電壓的作用，按照脈沖到達(dá)的時(shí)間先后順序，經(jīng)MCP（微通道板）放大后到達(dá)熒光屏。在熒光屏上將沿垂直于狹縫的方向展開(kāi)，這一方向?qū)?yīng)于時(shí)間軸，可以得到沿狹縫每一點(diǎn)展開(kāi)的時(shí)間信息，重構(gòu)后便可以得到回波信號(hào)所對(duì)應(yīng)的距離信息，即目標(biāo)的距離像。

圖1 條紋管工作原理Fig.1 Working principle of streak-tube

相比較其它光成像技術(shù)，藍(lán)綠激光條紋管激光雷達(dá)不易受環(huán)境光照影響，在白天和夜晚均可穩(wěn)定成像，在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下也能得到穩(wěn)定的圖像，非常適合在空中對(duì)拍岸區(qū)進(jìn)行快速掃描探測(cè)。

2 激光掃描條紋管成像實(shí)驗(yàn)

圖2 STIL對(duì)水下目標(biāo)的成像Fig.2 Image of underwater target by STIL

用條紋管成像探測(cè)器和高功率Nd：YAG激光器為核心器件的實(shí)驗(yàn)裝置[6]在試驗(yàn)水池進(jìn)行了水下藍(lán)綠激光掃描條紋管成像實(shí)驗(yàn)[7]，布放在水池打撈平臺(tái)上的沉底水雷模型和Manta水雷模型，在水深5 m的成像情況如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)樣機(jī)在空氣中的成像實(shí)驗(yàn)情況如圖3所示。

圖3 空氣中對(duì)距離700 m的目標(biāo)成像Fig.3 Image of 700 m target in air

3 無(wú)人機(jī)

使用激光雷達(dá)進(jìn)行拍岸區(qū)的水雷探測(cè)，需要穩(wěn)定的飛行器搭載，美國(guó)海軍用直升機(jī)搭載激光雷達(dá)，直升機(jī)需要大型船舶或起降場(chǎng)地，也需要專業(yè)人員操作，使用起來(lái)很復(fù)雜，成本也很高。

隨著近幾年國(guó)內(nèi)無(wú)人機(jī)技術(shù)的進(jìn)步[8]，無(wú)人機(jī)越來(lái)越多的應(yīng)用到了電力、農(nóng)業(yè)、安防、林業(yè)、測(cè)繪、軍事等領(lǐng)域，無(wú)人機(jī)在飛行控制、云臺(tái)穩(wěn)定性、載重等方面有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，重載荷無(wú)人機(jī)也已經(jīng)應(yīng)用在一些領(lǐng)域，使用無(wú)人機(jī)搭載激光雷達(dá)進(jìn)行探測(cè)在技術(shù)上已不存在瓶頸。

激光雷達(dá)可以搭載于大型多旋翼無(wú)人機(jī)，多旋翼無(wú)人機(jī)是依靠多個(gè)旋翼產(chǎn)生的升力來(lái)抵消飛行器的重力，讓無(wú)人機(jī)上升或下降，通過(guò)改變每個(gè)旋翼的轉(zhuǎn)速來(lái)控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。配合姿態(tài)傳感器，多旋翼飛行器可以在有風(fēng)條件下定點(diǎn)穩(wěn)定懸停，在一定速度范圍內(nèi)以任意的速度和方向飛行。配合衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，無(wú)人機(jī)可以在設(shè)置的范圍內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行定速定高飛行，既可以手動(dòng)操控?zé)o人機(jī)，也可以自動(dòng)規(guī)劃航路，對(duì)指定拍岸區(qū)域進(jìn)行激光雷達(dá)掃描。

為保證飛行時(shí)激光探頭的穩(wěn)定性，可以將探頭安裝在三軸云臺(tái)上，三軸云臺(tái)可以消除無(wú)人機(jī)在飛行時(shí)帶來(lái)的姿態(tài)偏移和振動(dòng)，保證激光雷達(dá)圖像的穩(wěn)定和清晰。根據(jù)實(shí)際需要，無(wú)人機(jī)還可以搭載高速無(wú)線數(shù)傳系統(tǒng)，在無(wú)人機(jī)和操控設(shè)備之間實(shí)時(shí)回傳掃描圖像，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

圖4 重載多旋翼無(wú)人機(jī)Fig.4 Heavy load multi-rotor UAV

圖5 無(wú)人機(jī)載激光雷達(dá)掃描探測(cè)示意圖Fig.5 Schematic diagram of scan and detection of UAV-borne STIL

4 結(jié)束語(yǔ)

無(wú)人機(jī)是藍(lán)綠激光探測(cè)系統(tǒng)一種比較好的載體，可以對(duì)拍岸區(qū)的水雷進(jìn)行快速探測(cè)、識(shí)別，整套系統(tǒng)最少只需一人即可操控起降并完成拍岸區(qū)探測(cè)任務(wù)。陸地上可以安放在小型汽車內(nèi)運(yùn)輸，在探測(cè)地點(diǎn)附近公路上就能完成起降和操控，也可以在小型船舶上進(jìn)行起降，在船上操控完成探測(cè)任務(wù)，可以實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)使用。藍(lán)綠激光雷達(dá)也可在拍岸區(qū)以20 kn以上的速度進(jìn)行快速探測(cè)。