隨著反恐戰(zhàn)爭的繼續(xù)，直升機在戰(zhàn)斗和民用任務中都發(fā)揮著至關重要的作用，從醫(yī)療后送到機組人員運輸。由于簡易爆炸裝置的威脅，直升機現(xiàn)在正成為往返任務坐標的首選方式。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。

當直升機起飛或降落在沙子上或塵土覆蓋的地點時，就會發(fā)生“停電”，而積雪覆蓋的地點會產(chǎn)生“白化”。直升機旋翼的旋轉(zhuǎn)導致空氣中形成塵埃（或雪）顆粒云，模糊了飛行員的視線，從而模糊了他們的態(tài)勢感知。當飛行員沒有安全降落直升機所需的視覺提示時，結(jié)果可能是致命的。

近年來，美國陸軍記錄了40多起在美國境內(nèi)各種訓練設施造成事故的停電條件。加上行動區(qū)內(nèi)的行動，自1991年以來，這一數(shù)字躍升至230起飛機損壞和/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。據(jù)估計，停電每年給美國造成的損失估計為1億美元。

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

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

OPAL 與傳統(tǒng)激光雷達的比較

存在幾個旨在提高直升機飛行員能見度的系統(tǒng)。盡管這些傳感器有一些優(yōu)點，但它們在掉電和白光條件下效率低下。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相當?shù)念w粒的塵埃云中運行時，紅外熱像儀會受到限制。此外，毫米波 （MMW） 雷達、閃光燈 LADAR 和范圍門控攝像機在掉電和白光條件下也無效。例如，由于其波長較長，MMW雷達可以深入掉電或白光，但空間分辨率較差，無法清楚地定義目標圖像。閃光燈LADAR和范圍門控相機協(xié)同工作，在一個激光射擊脈沖中創(chuàng)建完整的視場（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，因為這些設備中的光源必須為每個射擊脈沖擴散到FOV中。

此外，市場上還有幾種旨在提高直升機飛行員能見度的系統(tǒng)。雖然紅外 （IR） 攝像機與合成地形數(shù)據(jù)庫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，但它們在掉電和白光方面并不總是有效的。類似于在帶有遠光燈的濃霧中行駛，當塵埃云包含與相機工作波長大小相當?shù)念w粒時，視覺系統(tǒng)無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）比無源傳感器能夠進一步滲透到掉電和白光中。激光雷達發(fā)射自己的能量，使用激光射擊脈沖來收集數(shù)據(jù)。使用飛行時間 （TOF） - 即測量從其路徑中的對象/目標來回行進所需的時間 - 通過收集傳感器數(shù)據(jù)并使用數(shù)據(jù)集創(chuàng)建 3D 圖像或模型來創(chuàng)建飛行路徑或著陸點的圖像。

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分離的脈沖，因此該LiDAR只能在掉電或白光情況下報告最近的氣溶膠范圍。因此，OPAL是專門為解決這個問題而開發(fā)的。

系統(tǒng)如何工作

OPAL 提供比傳統(tǒng) LiDAR 更高的信噪比，從而提高檢測概率和/或更大范圍的深度能力。其雙基地光學設計可提供可靠的結(jié)果，專有設計使OPAL能夠掃描全視場并快速獲取3D數(shù)據(jù) - 這是使用雙基地設計的傳統(tǒng)有源傳感器無法做到的。在CAE的AVS等系統(tǒng)中將OPAL與紅外攝像機和地形數(shù)據(jù)庫一起使用，飛行員可以獲得強大的合成視覺系統(tǒng)。

地形數(shù)據(jù)庫必須使用AVS系統(tǒng)在初始掃描時收集的數(shù)據(jù)，或使用從制圖處理組織購買的數(shù)據(jù)，或兩者的組合進行預填充。該系統(tǒng)能夠在下降到掉電或白化之前和下降期間準確繪制直升機著陸區(qū)的高度詳細和準確的表示，向飛行員提供飛機周圍世界的穩(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)勢感知。

這一點至關重要，因為地形數(shù)據(jù)庫可以創(chuàng)建準確的地理特定世界表示，并將 OPAL 和紅外攝像機收集的信息與數(shù)據(jù)庫中包含的信息進行比較。很簡單，掃描區(qū)域疊加到合成世界上，并且可以快速輕松地檢測到變化。

這種類型的合成視覺系統(tǒng)為飛行員提供了對物理/地理環(huán)境的完整感知。當與頭戴式視覺系統(tǒng)在頭頂顯示器中結(jié)合使用時，飛行員可以獲得幾乎無限的瞬時視野，而與當前的地理條件無關。

直升機系統(tǒng)測試

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

氣溶膠室是一座狹長的建筑物，容納了可見光和紅外目標?？梢娔繕耸且粔K帶有黑白條紋的板，供可見光相機聚焦。紅外攝像機的紅外目標是帶有加熱棒的框架。目標被放置在腔室的后面，門被關閉以分散室內(nèi)的氣溶膠?？梢姽庀鄼C、紅外攝像機、OPAL 和透射儀距離腔室約 100 米。當門打開時，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法收集進一步的測量值。

檢測因子 - 定義的參數(shù)，即OPAL或IR相機檢測目標時的氣溶膠密度與可見光相機檢測目標時的氣溶膠密度之比 - 用于比較OPAL的性能與被動傳感器。

在沙子、灰塵和霧氣溶膠條件下，OPAL 比眼睛和紅外攝像機穿透得更遠。事實上，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的時序判別，降低了散射效應。盡管如此，結(jié)果表明，OPAL可用于檢測掉電條件下的障礙物，比測試的其他選項更有效。

為了進一步評估系統(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進行了一次試飛。AVS系統(tǒng)安裝在國家研究委員會的加拿大貝爾412直升機下，然后飛往由空地組成的著陸點。場地的中心是一個灌木叢和巖石的區(qū)域，而場地的一側(cè)是樹木，另一側(cè)是平坦的冰凍湖。該系統(tǒng)用于在不同直升機機動下掃描著陸點：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，直升機懸停在靠近地面的地方，以便在旋翼運動時產(chǎn)生雪云。在這次測試中，由海王星設計集團和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上的樹木和障礙物的3D景觀。這證明了OPAL在飛行過程中機械維持振動的能力，同時集成為AVS系統(tǒng)的主動傳感器。它還表明，OPAL數(shù)據(jù)和直升機導航數(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)是一個非常具體的應用，專門用于對抗掉電和白化條件的不利影響。OPAL的獨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)勢感知對于著陸或起飛至關重要，從而防止有時可能致命的事故。

審核編輯：郭婷