隨著反恐戰(zhàn)爭(zhēng)的繼續(xù)，直升機(jī)在戰(zhàn)斗和民用任務(wù)中都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，從醫(yī)療后送到機(jī)組人員運(yùn)輸。由于簡(jiǎn)易爆炸裝置的威脅，直升機(jī)現(xiàn)在正成為往返任務(wù)坐標(biāo)的首選方式。但在像阿富汗這樣的干旱環(huán)境中，著陸能見度不斷受到停電條件的阻礙。

當(dāng)直升機(jī)起飛或降落在沙子上或塵土覆蓋的地點(diǎn)時(shí)，就會(huì)發(fā)生“停電”，而積雪覆蓋的地點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生“白化”。直升機(jī)旋翼的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)致空氣中形成塵埃（或雪）顆粒云，模糊了飛行員的視線，從而模糊了他們的態(tài)勢(shì)感知。當(dāng)飛行員沒有安全降落直升機(jī)所需的視覺提示時(shí)，結(jié)果可能是致命的。

近年來(lái)，美國(guó)陸軍記錄了40多起在美國(guó)境內(nèi)各種訓(xùn)練設(shè)施造成事故的停電條件。加上行動(dòng)區(qū)內(nèi)的行動(dòng)，自1991年以來(lái)，這一數(shù)字躍升至230起飛機(jī)損壞和/或受傷案件。從2001年到2007年，80%的事故發(fā)生在著陸過程中，而只有20%發(fā)生在起飛時(shí)。據(jù)估計(jì)，停電每年給美國(guó)造成的損失估計(jì)為1億美元。

調(diào)查這個(gè)問題的解決方案已成為軍方的高度優(yōu)先事項(xiàng)。直到最近，還沒有開發(fā)出明確的解決方案。然而，一種新的改進(jìn)型LiDAR視覺系統(tǒng)正在出現(xiàn)，即遮蔽穿透自同步LiDAR，簡(jiǎn)稱為OPAL。它的早期原型已經(jīng)在各種環(huán)境中進(jìn)行了測(cè)試，并被證明是強(qiáng)大而強(qiáng)大的。

事實(shí)證明，OPAL穿透掉電和白光的能力比傳統(tǒng)的激光雷達(dá)更有效。當(dāng)與紅外攝像機(jī)和增強(qiáng)視覺系統(tǒng)（AVS）等系統(tǒng)中的地形數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)合使用時(shí)，可以為直升機(jī)飛行員創(chuàng)建強(qiáng)大的合成視覺系統(tǒng) - 在掉電和白光條件下實(shí)現(xiàn)視線，并確保安全起飛和著陸。

OPAL 與傳統(tǒng)激光雷達(dá)的比較

存在幾個(gè)旨在提高直升機(jī)飛行員能見度的系統(tǒng)。盡管這些傳感器有一些優(yōu)點(diǎn)，但它們?cè)诘綦姾桶坠鈼l件下效率低下。例如，紅外熱像儀在能見度差的條件下（如霧）是有效的，但在含有與熱像儀工作波長(zhǎng)相當(dāng)?shù)念w粒的塵埃云中運(yùn)行時(shí)，紅外熱像儀會(huì)受到限制。此外，毫米波 （MMW） 雷達(dá)、閃光燈 LADAR 和范圍門控?cái)z像機(jī)在掉電和白光條件下也無(wú)效。例如，由于其波長(zhǎng)較長(zhǎng)，MMW雷達(dá)可以深入掉電或白光，但空間分辨率較差，無(wú)法清楚地定義目標(biāo)圖像。閃光燈LADAR和范圍門控相機(jī)協(xié)同工作，在一個(gè)激光射擊脈沖中創(chuàng)建完整的視場(chǎng)（FOV）。雖然這提供了高分辨率，但它缺乏穿透氣溶膠云深處的能力，因?yàn)檫@些設(shè)備中的光源必須為每個(gè)射擊脈沖擴(kuò)散到FOV中。

此外，市場(chǎng)上還有幾種旨在提高直升機(jī)飛行員能見度的系統(tǒng)。雖然紅外 （IR） 攝像機(jī)與合成地形數(shù)據(jù)庫(kù)的各種組合為處理環(huán)境條件和污染提供了有效的解決方案，但它們?cè)诘綦姾桶坠夥矫娌⒉豢偸怯行У?。類似于在帶有遠(yuǎn)光燈的濃霧中行駛，當(dāng)塵埃云包含與相機(jī)工作波長(zhǎng)大小相當(dāng)?shù)念w粒時(shí)，視覺系統(tǒng)無(wú)法穿透氣溶膠云以確定其中是否有任何物體。

許多有源傳感器（如LiDAR）比無(wú)源傳感器能夠進(jìn)一步滲透到掉電和白光中。激光雷達(dá)發(fā)射自己的能量，使用激光射擊脈沖來(lái)收集數(shù)據(jù)。使用飛行時(shí)間 （TOF） - 即測(cè)量從其路徑中的對(duì)象/目標(biāo)來(lái)回行進(jìn)所需的時(shí)間 - 通過收集傳感器數(shù)據(jù)并使用數(shù)據(jù)集創(chuàng)建 3D 圖像或模型來(lái)創(chuàng)建飛行路徑或著陸點(diǎn)的圖像。

由于傳統(tǒng)的LiDAR是由返回脈沖的上升沿觸發(fā)的，而沒有與埋在氣溶膠中的目標(biāo)分離的脈沖，因此該LiDAR只能在掉電或白光情況下報(bào)告最近的氣溶膠范圍。因此，OPAL是專門為解決這個(gè)問題而開發(fā)的。

系統(tǒng)如何工作

OPAL 提供比傳統(tǒng) LiDAR 更高的信噪比，從而提高檢測(cè)概率和/或更大范圍的深度能力。其雙基地光學(xué)設(shè)計(jì)可提供可靠的結(jié)果，專有設(shè)計(jì)使OPAL能夠掃描全視場(chǎng)并快速獲取3D數(shù)據(jù) - 這是使用雙基地設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)有源傳感器無(wú)法做到的。在CAE的AVS等系統(tǒng)中將OPAL與紅外攝像機(jī)和地形數(shù)據(jù)庫(kù)一起使用，飛行員可以獲得強(qiáng)大的合成視覺系統(tǒng)。

地形數(shù)據(jù)庫(kù)必須使用AVS系統(tǒng)在初始掃描時(shí)收集的數(shù)據(jù)，或使用從制圖處理組織購(gòu)買的數(shù)據(jù)，或兩者的組合進(jìn)行預(yù)填充。該系統(tǒng)能夠在下降到掉電或白化之前和下降期間準(zhǔn)確繪制直升機(jī)著陸區(qū)的高度詳細(xì)和準(zhǔn)確的表示，向飛行員提供飛機(jī)周圍世界的穩(wěn)定抬頭/抬頭視圖，以便在懸停、著陸和起飛情況下獲得最佳態(tài)勢(shì)感知。

這一點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)榈匦螖?shù)據(jù)庫(kù)可以創(chuàng)建準(zhǔn)確的地理特定世界表示，并將 OPAL 和紅外攝像機(jī)收集的信息與數(shù)據(jù)庫(kù)中包含的信息進(jìn)行比較。很簡(jiǎn)單，掃描區(qū)域疊加到合成世界上，并且可以快速輕松地檢測(cè)到變化。

這種類型的合成視覺系統(tǒng)為飛行員提供了對(duì)物理/地理環(huán)境的完整感知。當(dāng)與頭戴式視覺系統(tǒng)在頭頂顯示器中結(jié)合使用時(shí)，飛行員可以獲得幾乎無(wú)限的瞬時(shí)視野，而與當(dāng)前的地理?xiàng)l件無(wú)關(guān)。

直升機(jī)系統(tǒng)測(cè)試

使用魁北克省瓦爾卡蒂埃的加拿大國(guó)防研究與發(fā)展部（DRDC）的氣溶膠研究走廊進(jìn)行的初步測(cè)試涉及將OPAL的性能與包括人眼（可見光相機(jī)）和紅外相機(jī)在內(nèi)的各種無(wú)源傳感器的性能進(jìn)行比較。

氣溶膠室是一座狹長(zhǎng)的建筑物，容納了可見光和紅外目標(biāo)。可見目標(biāo)是一塊帶有黑白條紋的板，供可見光相機(jī)聚焦。紅外攝像機(jī)的紅外目標(biāo)是帶有加熱棒的框架。目標(biāo)被放置在腔室的后面，門被關(guān)閉以分散室內(nèi)的氣溶膠?？梢姽庀鄼C(jī)、紅外攝像機(jī)、OPAL 和透射儀距離腔室約 100 米。當(dāng)門打開時(shí)，傳感器在0.5秒內(nèi)開始收集數(shù)據(jù)，并繼續(xù)收集數(shù)據(jù)，直到氣溶膠云的密度變得太薄而無(wú)法收集進(jìn)一步的測(cè)量值。

檢測(cè)因子 - 定義的參數(shù)，即OPAL或IR相機(jī)檢測(cè)目標(biāo)時(shí)的氣溶膠密度與可見光相機(jī)檢測(cè)目標(biāo)時(shí)的氣溶膠密度之比 - 用于比較OPAL的性能與被動(dòng)傳感器。

在沙子、灰塵和霧氣溶膠條件下，OPAL 比眼睛和紅外攝像機(jī)穿透得更遠(yuǎn)。事實(shí)上，OPAL能夠穿透50微米的沙塵，比眼睛穿透的密度高4倍，穿過6微米的灰塵，比眼睛可以穿透的密度高6.6倍，以及穿透密度超過7.6倍的霧。這歸因于OPAL的時(shí)序判別，降低了散射效應(yīng)。盡管如此，結(jié)果表明，OPAL可用于檢測(cè)掉電條件下的障礙物，比測(cè)試的其他選項(xiàng)更有效。

為了進(jìn)一步評(píng)估系統(tǒng)原型在常規(guī)和白光條件下，2007年2月在加拿大渥太華北部的Crash Lake進(jìn)行了一次試飛。AVS系統(tǒng)安裝在國(guó)家研究委員會(huì)的加拿大貝爾412直升機(jī)下，然后飛往由空地組成的著陸點(diǎn)。場(chǎng)地的中心是一個(gè)灌木叢和巖石的區(qū)域，而場(chǎng)地的一側(cè)是樹木，另一側(cè)是平坦的冰凍湖。該系統(tǒng)用于在不同直升機(jī)機(jī)動(dòng)下掃描著陸點(diǎn)：在飛越或接近操作中使用推掃帚掃描，在懸停操作中使用光柵掃描模式。

為了創(chuàng)造白化條件，直升機(jī)懸停在靠近地面的地方，以便在旋翼運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生雪云。在這次測(cè)試中，由海王星設(shè)計(jì)集團(tuán)和AVS開發(fā)的OPAL提供了出色的結(jié)果。如圖1所示，飛行員可以清楚地看到雪云后面的地面和樹木。

推掃帚掃描的結(jié)果清楚地說明了飛越路徑以及著陸點(diǎn)上的樹木和障礙物的3D景觀。這證明了OPAL在飛行過程中機(jī)械維持振動(dòng)的能力，同時(shí)集成為AVS系統(tǒng)的主動(dòng)傳感器。它還表明，OPAL數(shù)據(jù)和直升機(jī)導(dǎo)航數(shù)據(jù)可以成功地融合在一起，以生成地理參考的3D圖像。

獲得更清晰的視角

OPAL/AVS系統(tǒng)是一個(gè)非常具體的應(yīng)用，專門用于對(duì)抗掉電和白化條件的不利影響。OPAL的獨(dú)特功能為飛行員提供了清晰的著陸區(qū)視圖。能見度和態(tài)勢(shì)感知對(duì)于著陸或起飛至關(guān)重要，從而防止有時(shí)可能致命的事故。

審核編輯：郭婷