艦船橫向航行補給的激光測距技術(shù)研究

孫靈遠 朱志軍 王益民 郭亦平 任元洲

（天津航海儀器研究所九江分部，九江，332007）

在艦船橫向航行補給任務下，能夠穩(wěn)定、連續(xù)、自動測量補給艦與接收艦之間的距離和相互之間的速率，可以為該任務下船舶操縱提供依據(jù)，提高船舶航行的安全性和補給效率。目前，國內(nèi)外在確定補給間距時，主要依據(jù)海上試驗法確定補給間距的范圍。在實際補給作業(yè)時，由相關(guān)人員根據(jù)補給經(jīng)驗確定當前海區(qū)態(tài)勢下的補給間距。在理論研究方面，國內(nèi)關(guān)于艦船橫向補給間距決策方法研究的文獻較少，且以研究橫向補給時的最大及最小安全間距居多。文獻[1]系統(tǒng)地研究了補給間距對于貨物安全的影響，給出確定最大安全間距的方法；文獻[2]給出橫向補給最小安全間距的確定方法，但該方法僅考慮靜水條件下的海上補給，忽略風、浪、流的影響，其計算結(jié)果比實際可采用間距小。

為了驗證橫向補給過程中新型測距方法替代距離索的可行性，美國海軍在十多年前分別在不同的海況、氣候環(huán)境、時間（晝夜）做了數(shù)次試驗。美國Marine Proximity公司的測距系統(tǒng)通過美國海軍司令部認證并被列入北約ATP-16補給條例[3]。該系統(tǒng)目前在美國海軍艦船上廣泛用于橫向補給過程中兩艦距離的測量，如圖1所示。此外，據(jù)相關(guān)資料，澳大利亞海軍也在十多年前開展過類似的研究工作。

圖1 美國海軍補給測距系統(tǒng)應用

本文研究的橫向航行補給距離測量系統(tǒng)利用能夠同時獲取距離信息和目標圖像信息的穩(wěn)定云臺，通過測距傳感器和圖像信息融合技術(shù)，完成艦艦距離的自動穩(wěn)定測量。

1 橫向航行補給測距分析

在橫向航行補給時，距離測量設備一般安裝在接收艦上。橫向并排航行的艦船在海浪中運動時，兩者位置關(guān)系受海浪的影響。補給過程中，要求補給艦和接收艦以相同的航向以及相同的航速航行，如圖2所示，該工況下僅需要一個測量點便可滿足距離測量要求，兩艦間距為S。

圖2 航行補給理想工況下測距示意圖

圖2是理想的航行補給工況，在實際橫向航行補給時，兩艦會出現(xiàn)不同程度的縱距和橫距偏差，從而引起航向偏差，如圖3所示。

圖3 航行補給偏航工況下測距示意圖

該工況下需要兩個測量點的數(shù)據(jù)才能體現(xiàn)出接收艦與補給艦的距離，并根據(jù)兩個測量點的數(shù)據(jù)計算出兩艦的航向差ψ：

式中，d1、d2是兩個傳感器以接收艦為基準所測得的垂直距離，L為兩測量點之間的距離。但由于航行補給過程中，一般以補給艦作為目標艦，因此圖3中垂直于補給艦的S1與S2為兩艦在兩測量點的間距。式（2）、（3）為兩艦在兩測量點的間距與航向差ψ的關(guān)系。

2 距離測量方法選擇

在近距離測量時，雷達、GPS等的測量精度滿足不了要求，因此需要配置較高精度的近距離測距傳感器，以滿足航行補給等近距離作業(yè)的要求[4]。測距傳感器的測量精度、測量距離、抗干擾性等直接決定了距離測量裝置的好壞，因此采用的測距傳感器必須能夠滿足在航行補給和靠離碼頭的氣候環(huán)境中有可靠的測定距離。目前常用測距方法主要有超聲波測距、紅外測距、毫米波雷達測距和激光測距，方法特點對比如表1所示。

表1 測距方式的特點比較

通過表1可知，激光測距與其它測距方法相比，具有測量精度高、測程遠、抗干擾性強、大氣傳輸性能好、隱蔽性好、對雨霧有一定的穿透性等優(yōu)點[5]。激光測距研究經(jīng)過多年的發(fā)展，技術(shù)上已經(jīng)有了很大的進步，隨著半導體激光技術(shù)的發(fā)展，激光測距傳感器在軍民領(lǐng)域中均有廣泛的應用。另外激光測距傳感器的光束強度是滿足用眼安全標準的，而且瞄準的是船體，不會對人員造成傷害。

3 橫向航行補給自動測距研究

橫向航行補給時，補給艦從待機站位到補給站位過程時間相對都較短，且測量距離和角度均不斷變化，因此需要人工手動操作測量。兩艦橫向航行補給作業(yè)一般時間較長，且兩艦的相對位置幾乎不變，因此該過程可實現(xiàn)持續(xù)、自動跟蹤測距。

3.1 影響測量效果的因素分析

持續(xù)自動測距過程中，接收艦及補給艦的橫搖、橫蕩、縱搖、升沉等運動均可能對測距過程帶來一定影響[6]。接收艦的升沉和縱搖將造成傳感器絕對位置的升高或者降低，如圖4所示。補給艦的橫搖、縱搖、升沉運動將改變激光在被測船上的反射點，如圖5所示。

圖4 接收艦升沉運動工況下測距示意圖

圖5 補給艦橫搖、縱搖、升沉運動下測距示意圖

兩艦橫向航行補給時，兩艦的距離d一般保持在50 m左右。圖6所示為兩艦相對最大橫蕩幅值為4 m工況下測距示意圖，假設傳感器俯仰角?為3°，則

圖6 艦船相對橫蕩工況下測距示意圖

補給過程中，接收艦和補給艦的縱搖、升沉、橫蕩，以及補給艦的橫搖引起激光束在被測船舶上的反射點位置幅度變化很小，因此上述情況造成傳感器測量目標丟失的概率極小。為了避免由此造成的目標丟失，應將激光束在被測船舶上的反射點定位在被測船舶的船舷與吃水線的中位線附近，如圖7所示。

圖7 激光束反射區(qū)定位示意圖

接收艦的橫搖是造成測量目標丟失的主要原因。圖8為接收艦在橫搖幅度為5°時的工況。激光束在艦船橫搖上下最大幅值時到達被測船舶的高度差為

因此，在一個橫搖周期內(nèi)，測量目標丟失概率較大。

圖8 橫搖運動工況下測距示意圖

為避免因接收艦橫搖造成的目標丟失，將激光測距傳感器激光束始終保持與水平面相同的角度而不受艦船橫搖影響，可以達到持續(xù)自動測距的目的。將激光測距傳感器安裝于具有艦船橫搖穩(wěn)定功能的云臺上。該云臺始終保持人為設定的水平角度，有效隔離艦船橫搖，確保激光測距傳感器水平角度保持不變。穩(wěn)定測距示意圖如圖9所示。此時，激光束在艦船橫搖最大幅值為 5°能有效降低測量目標丟失概率。

圖9 穩(wěn)定測距示意圖

實際測量過程中，云臺的俯仰角?和方位角β影響著艦艦之間距離。補給工況示意圖如圖10所示。

圖10 兩艦補給工況示意圖

兩艦之間的距離為

3.2 海補測距精度

兩艦間距測量精度主要影響因素有：傳感器的測量精度，云臺方位角、俯仰角精度。根據(jù)式（4）計算兩艦距離，d為傳感器實測距離，假設d=50 m。計算測距誤差：

式中，傳感器測量精度δd=0.04 m；方位角、俯仰角精度δβ=δ?=±0.1°。則

通過式（6）計算得到：當 0

3.3 穩(wěn)定云臺工作原理

穩(wěn)定云臺有兩自由度旋轉(zhuǎn)軸，分別實現(xiàn)負載方位旋轉(zhuǎn)和俯仰旋轉(zhuǎn)。在手動模式下，可通過手柄控制方位軸和俯仰軸的旋轉(zhuǎn)。在自動模式下，由計算機根據(jù)陀螺儀及旋轉(zhuǎn)變壓器的反饋角度解算出方位軸和俯仰軸的指令轉(zhuǎn)角，驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)陀螺穩(wěn)定的功能。在跟蹤模式下，云臺捕捉到目標圖像，提取目標圖像的特征點。利用圖像處理算法和云臺運動控制算法實現(xiàn)對目標的跟蹤。穩(wěn)定云臺主要由圖像跟蹤器，伺服系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)分系統(tǒng)，傳感器等組成，如圖11所示。

圖11 穩(wěn)定云臺組成

圖像跟蹤器主要實現(xiàn)對目標的跟蹤功能。首先，圖像跟蹤器接收可見光視頻。根據(jù)控制命令對目標進行跟蹤；然后，圖像跟蹤器實時輸出目標偏離系統(tǒng)視軸的方位和俯仰誤差信號到伺服控制系統(tǒng)；最后將視頻圖像輸出給測控系統(tǒng)和記錄儀等設備，用于顯示和記錄。

在跟蹤模式下，圖像跟蹤器對目標進行特征點提取，計算出當前幀中的目標在傳感器靶面上的坐標值，伺服系統(tǒng)根據(jù)該坐標值、當前的焦距值與傳感器的像元尺寸，計算出云臺應到達的方位角與俯仰角，并驅(qū)動光平臺轉(zhuǎn)動到該方位角與俯仰角，使目標始終保持在可見光攝像機的靶面中心，伺服系統(tǒng)與圖像跟蹤器形成閉環(huán)，實現(xiàn)目標的精確跟蹤。

云臺陀螺穩(wěn)定原理圖如圖 12所示。微處理器根據(jù)操作人員的設定角度和陀螺儀角度實時解算方位軸和俯仰軸的指令轉(zhuǎn)角，指令轉(zhuǎn)角通過比較、放大等環(huán)節(jié)驅(qū)動電機旋轉(zhuǎn)。電機控制部分采用位置、速度和電流三閉環(huán)的伺服控制方式。位置和速度控制器采用不完全微分增量式 PID（Proportion-Integration-Differentiation）的控制，有效的提高控制系統(tǒng)的伺服精度[7]。驅(qū)動器采用 SPWM（Sinusoidal-Pusle-Width- Modulation）的驅(qū)動方法，電機驅(qū)動電流與SPWM驅(qū)動控制器構(gòu)成電流閉環(huán)，以減小時間常數(shù)，改善電機的動態(tài)品質(zhì)[8]。

圖12 云臺陀螺穩(wěn)定原理圖

4 激光測距系統(tǒng)自動穩(wěn)定測距實現(xiàn)

激光測距系統(tǒng)采用網(wǎng)絡化分布式控制體系結(jié)構(gòu)，通過以太網(wǎng)完成內(nèi)部各種信息的交互[9-11]。激光測距系統(tǒng)主要由穩(wěn)定云臺、告示器、手柄模塊等相關(guān)設備組成，如圖 13所示。穩(wěn)定云臺和控制箱通過雙冗余以太網(wǎng)進行通訊，實時獲取目標點一定范圍內(nèi)的影像信息和距離信息。穩(wěn)定云臺具有兩自由度旋轉(zhuǎn)軸，分別實現(xiàn)負載方位和俯仰旋轉(zhuǎn)，可以持續(xù)激光測距，具有手動、穩(wěn)定、圖像跟蹤等工作模式。告示器實時顯示控制箱發(fā)送過來的距離信息，用于目標艦實時觀察相互之間的距離?？刂葡渲饕糜诒镜胤€(wěn)定云臺的控制和目標影像的顯示。操作人員可以通過手柄模塊選擇測量方式，實現(xiàn)手動或自動測量距離。當接收艦由待機站位駛向補給站位時，采用手動測量方式。通過手柄模塊搖桿控制穩(wěn)定云臺的旋轉(zhuǎn)和俯仰，獲取目標艦一定范圍內(nèi)的影像信息，操作人員根據(jù)實際情況通過影像信息選擇目標測量點。在穩(wěn)定工況下，操作人員確定目標點后，確定測量方式，穩(wěn)定云臺陀螺感知船只的晃動方向和角速度，按照一定的算法對信號進行補償和運算后，使云臺保持對船角度不變，實現(xiàn)對目標點距離的穩(wěn)定測量。在跟蹤工況下，穩(wěn)定云臺通過獲取目標影像信息，通過圖像處理算法和云臺的旋轉(zhuǎn)俯仰運動實時跟蹤目標點，實現(xiàn)目標點距離的實時跟蹤測量。

圖13 激光測距系統(tǒng)架構(gòu)圖

5 試驗結(jié)果

為了驗證該系統(tǒng)在高海況下的測量精度，分別進行了試驗室模擬5級海況下的試驗和3級海況下的海上實測試驗。精度的計算方法為

5.1 地面試驗

通過單軸轉(zhuǎn)臺模擬5級海況，檢驗該系統(tǒng)穩(wěn)定工況下的測量精度。將單軸轉(zhuǎn)臺角度分別設置為-15°、-7°、0°、7°、15°（俯為-，仰為+），測得的實驗數(shù)據(jù)如表2所示。分析表2可知，在高海況下，50 m測量范圍，該系統(tǒng)的測量精度在0.2 m左右。

表2 試驗室50 m測量范圍測量數(shù)據(jù) m

5.2 海上試驗

在3級海況下，對激光測距系統(tǒng)的測量效果進行實船驗證。表3為實船測得數(shù)據(jù)。在穩(wěn)定工況下，該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崟r自動完成目標艦距離的測量，還可以獲取橫向補給任務狀態(tài)下兩艦之間的水平速度。

表3 海上實船試驗數(shù)據(jù) m

分析表3數(shù)據(jù)可知，在3級海況下，0～300 m范圍內(nèi)，測量精度為0.2 m；300～1000 m范圍內(nèi)測量精度為1.2 m。表2和表3數(shù)據(jù)表明，該激光測距系統(tǒng)滿足船舶橫向航行補給的任務需求。

6 結(jié)語

本文通過對橫向航行補給過程中艦船的運動狀態(tài)進行分析，提出的基于艦船橫向航行補給的激光測距技術(shù)可以有效的隔離船舶縱搖和橫搖對兩船距離測量的影響，能夠穩(wěn)定、連續(xù)的實現(xiàn)距離的測量。實船驗證了該技術(shù)的可行性和可靠性?；谂灤瑱M向航行補給的激光測距技術(shù)可以推廣應用到艦船狹水道航行、靠離泊等工程。本文下一步將結(jié)合艦船操縱實現(xiàn)艦船橫向航行補給任務下自動操控，保證橫向航行補給任務的可靠性和安全性。