直升機三維場景感知技術及初步驗證

徐佳龍

(海軍駐南京地區航空軍事代表室，南京 210002)

0 引言

直升機各類事故中，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。除低空飛行時與飛行走廊上障礙物碰撞的風險外，直升機在地面遍布沙塵或積雪的地點著陸時，旋翼吹起的大量灰塵會影響甚至完全遮蔽飛行員視線，導致飛行員方向感喪失，這就是直升機特有的“塵迷”現象?！皦m迷”現象可能導致直升機降落時與未知障礙物碰撞。從廣義上，這也屬于防撞的范疇[1]。

為解決直升機飛行和著陸過程中高效態勢感知問題，可考慮的技術途徑包括毫米波和激光雷達，前者穿透能力強，后者則具有分辨率高的優勢。無論是哪種技術途徑，針對直升機這種應用場景，均要解決態勢感知中的兩大要點:(1)提高測量精度，實現對三維輪廓的準確測量和描述;(2)實現強雜波背景中的弱小目標，特別是電力線的檢測。

本文首先從四個方面介紹提高測量精度的途徑;然后，通過對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完成外場初步驗證。

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，進而實現空域高分辨。直升機防撞雷達可選擇毫米波雷達或激光雷達，目的均是為了壓窄探測波束，進而提高對于三維位置的準確測量。

單從提高分辨率的角度，激光雷達比毫米波雷達更理想。通過激光雷達的窄波束準確測出各個目標的高度，在此三維位置數據的基礎上通過圖像處理算法、針對特定視角生成透視畫面。

圖1和圖2為美國空軍研究實驗室的3D-LZ激光雷達在尤馬試驗場獲取的成像效果，通過對光學圖像和激光雷達圖像的對比可知，試驗場內的直升機、車輛、房屋、電線桿等目標可清晰辨別[2]。

圖1 光學成像效果

圖2 激光雷達成像效果

相比之下，直升機毫米波防撞雷達的波束寬度通常為1°～2°，比激光雷達寬一到兩個數量級，不能如激光雷達那樣獲得場景內具體細節的描述。圖3為一部波束寬度為1°的毫米波雷達對尤馬試驗場的三維成像結果[3]。從圖像中僅能判別障礙物的粗略形狀和高度。然而，從應用角度上，這種圖像效果也足以支撐直升機規避障礙物飛行。

圖3 毫米波雷達成像結果

1.2 虛擬孔徑

多輸入多輸出(MIMO)技術提出后，雷達界一直在研究其應用方向。MIMO技術并不會提升雷達探測距離，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在低頻段雷達上的應用成為熱點。低頻段雷達具有大氣損耗小、反隱身的優勢，然而分辨率差。具有M個發射天線和N個接收天線的MIMO陣列可等效為具有一個發射天線和MN個接收天線的相控陣。因而，依托于MIMO技術，可采用稀疏布置的單元振子達到與高頻段雷達相當的角度分辨率。

比如:穿墻雷達為實現對墻體的穿透，需要采用低波段。通過將MIMO技術應用于穿墻雷達，確保在低波段的前提下同時實現對墻后體目標的高分辨近場成像。圖4為荷蘭代爾夫特大學研制的十字形稀疏陣列及對墻后手槍目標成像結果。

圖4 MIMO陣列布置及成像結果

由于MIMO技術在提高雷達分辨率方面特有的優勢，雷達界開始考慮將其應用于直升機防撞。文獻[4]提出了相應的設想。雷達充分利用平臺尺寸布置天線陣列，陣列采用T字形，頻段可選擇X波段或Ka波段，規模分別為24×24和32×32，實現了多波束高度精確測量。

1.3 高度維相位干涉

干涉測高技術主要在干涉合成孔徑雷達(SAR)中得到應用，普通的SAR成像僅能實現二維高分辨成像，通過兩部具有高度差的天線對同一場景分別成像，通過比對可提取場景中的高度信息。

直升機三維場景構建過程中，雷達并未進行SAR成像，因而不能完全采用干涉SAR的處理流程。不過在進行高度維信息提取時可采用類似的處理方法，通過垂直放置的兩部天線，同時接收回波，完成相位測量后提取目標高度信息。德國RST公司提出的方案是采用方位360°旋轉、一發兩收的天線布置，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飛行及著陸雷達的研發。

1.4 俯仰超分辨

若雷達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一步提高測量精度，則可采用“空間切片”的方式構建立體場景。

文獻[5]中，采用一部俯仰寬波束的毫米波雷達進行多行掃描實現3D場景構建。雷達俯仰多行間采用0.1°的步進，形成了層疊的“方位-距離”數據庫。利用高端3D視頻處理，可構建3D體模型，且幀率達到30 Hz。處理示意圖如圖5所示。

圖5 空間切片構建立體場景示意圖

某種意義上來說，該處理源自于前視方位超分辨技術，只是將處理維度從方位轉化為俯仰。由于實孔徑雷達信號在空間域是天線方向圖與目標后向散射系數的線性卷積特性，因而通過解卷積操作來獲得目標準確的角度位置信息。經過分析，該技術具有將角度銳化比達到10以上的潛力。

2 電力線散射特性

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

圖6 電力線結構形式示意圖

Sarabandi等人曾經在暗室中對長度為30 cm，直徑分別為1.20 cm、2.22 cm、3.01 cm、3.52 cm 的4 種電力線進行35 GHz測試，測試結果如圖7所示?？擅黠@看到等間隔排列的三個主峰。

圖7 4種電力線的散射特性實測結果

文獻[7]在外場利用35 GHz和94 GHz雷達對于電力線進行了回波測量。可見兩個頻段都呈現出周期性的回波特性，94 GHz的角度間隔更小，與理論和實驗室測量結果均相吻合。然而，在偏離垂直入射角15°外，仍然有一些較強的回波出現，分析認為可能來自于導線的非規則性，如圖8所示。

由于電力線獨特的回波特性，當采用毫米波雷達進行探測時，難以確保對于整條電力線完全探測，只能實現一定角度范圍內的目標探測。需盡量從信號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

為了摸索電力線的散射特性，研制了一部試驗雷達樣機系統，在野外進行了實際試驗。圖9為數據錄取區域場景圖。電力線懸掛于右側的鐵塔和左側的高大電線桿之間，包括三根較粗的鋼芯鋁絞線和兩根較細的電線，左側高電線桿距雷達約200 m，右側鐵塔距離雷達約300 m。

圖9 電力線探測測試場景

試驗系統為Ka波段，波束寬度約為2°，試驗過程中，方位向進行±30°掃描、俯仰向進行10行掃描。圖10中的兩幅圖分別對應第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。當雷達波束垂直于電力線時，會出現強散射點，與垂直角度偏差15°左右時，會出現較強的布喇咯散射點。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度變化更明顯。

考慮到本次試驗的鋼芯鋁絞線僅有3根，而野外大部分架空高壓線所采用的鋼芯鋁絞線數目通常達到10根以上，因而回波要更強一些，探測性能可能將更理想。

4 結束語

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

在此基礎上，依托一部Ka波段試驗雷達系統，對于電力線目標進行了探測試驗，初步驗證了電力線的回波特性及高分辨雷達多行掃描的回波特性。現階段的試驗還不夠深入，后續將進一步有針對性開展研究。

[1]徐艷國.直升機防撞雷達關鍵技術及發展趨勢[J].現代雷達，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，FL: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，FL:SPIE Press，2009.

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[5]Takács B.3D volumetric radar using 94 GHz millimeter waves[C]//SPIE Conference on Enhanced and Synthetic Vision.Orlando，FL: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].現代雷達，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.