基于圖像識別的激光助降系統(tǒng)研究*

楊炳恒　孫　婧　樊向黨　張　濤

(海軍航空工程學院青島校區(qū)　青島　266041)

?

基于圖像識別的激光助降系統(tǒng)研究*

楊炳恒孫婧樊向黨張濤

(海軍航空工程學院青島校區(qū)青島266041)

論文首先對美航母激光助降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能原理進行了研究，分析其主要的技術(shù)難點，提出了基于圖像識別的激光助降系統(tǒng)改進方法，在不影響裝備功能指標前提下，充分利用起降綜合電視監(jiān)視系統(tǒng)十字線疊加后的中線視頻分析結(jié)果，對裝備光源及透鏡進行改造，減小發(fā)光源尺寸，可有效降低激光助降系統(tǒng)透鏡組、穩(wěn)定補償系統(tǒng)以及電磁干擾的研制及技術(shù)保障難度。

激光助降系統(tǒng);激光中線定位器;激光下滑航路指示器;圖像識別

Class NumberU674.771

1　引言

航空母艦絕大多數(shù)作戰(zhàn)使命都需要并且只能由艦載機來承擔和完成，艦載機的出動率直接影響著航母的戰(zhàn)斗力，在航母飛行甲板這種特殊環(huán)境下，艦載機的安全快速著艦是影響艦載機的出動效率的關(guān)鍵。為了扶助飛行員安全順利著艦，現(xiàn)代航母都配備了光學助降系統(tǒng)[1～3]。

以美航母為例，為了更好地幫助飛行員完成著艦作業(yè)，自2001年開始，美海軍為航母配備了菲涅爾透鏡系統(tǒng)(改進型菲涅爾透鏡)和激光助降系統(tǒng)兩型主要的光學助降系統(tǒng)。在實際著艦作業(yè)中，這兩型光學助降系統(tǒng)互為補充，共同完成指引飛行員保持正確下滑航道的功能，從而保障艦載機的安全順利著艦[4～5]。

相對于菲涅爾透鏡系統(tǒng)，一方面激光助降系統(tǒng)的作用距離更遠，菲涅爾透鏡系統(tǒng)作用距離只有離艦0.75海里(改進型菲涅爾透鏡作用距離約為1.25海里)，激光助降系統(tǒng)作用距離可達10海里(最遠可達15海里)。另一方面可以提高航母的生存力，這主要體現(xiàn)在：1)艦載機可在10海里之外直接進入下滑航道，無需在航母上方盤旋等待，避免暴漏航母位置； 2)激光助降系統(tǒng)不產(chǎn)生電磁輻射，具有隱身性； 3)在雷達和儀表助降故障時，可利用激光助降系統(tǒng)提供對中和下滑航道信息[6]。

2　激光助降系統(tǒng)

2.1系統(tǒng)典型結(jié)構(gòu)

美航母配備的激光助降系統(tǒng)主要包括激光中線定位器(LCL)和激光下滑航路指示器(LGI)兩個子系統(tǒng)。

圖1　美航母激光助降系統(tǒng)

激光中線定位器由激光器、防護罩、濾光器、基座安裝電源和縱搖/橫搖補償系統(tǒng)等部件組成，激光中線定位器安裝在航母尾部飛行甲板下，主要為艦載機進場著艦的對中航道信息。激光下滑航路指示器由激光器、防護罩、濾光器、基座安裝電源和縱搖/橫搖補償系統(tǒng)等部件組成，激光下滑航路指示器安裝在艦島上，可以幫助飛行員控制下滑角度，激光下滑航路指示器允許艦載機在1219m高、10海里遠處進場，并能在0.5海里～10海里之間進行下滑道的指示，使飛行員有充裕的時間調(diào)整進場的下滑位置和姿態(tài)。

2.2工作過程

激光中線定位器和激光下滑航路指示器的均利采用百瓦級的高可見度激光束提供引導信號，由安全(對人眼不構(gòu)成傷害)的激光彩色脈沖信號組成，共有5條或7條光路，可使艦載機飛行員得到定量的對中和下滑角度偏差信息，適時調(diào)整飛行進場下滑航路。除去精度和提供的光束數(shù)量及標示的角度不同，激光中線定位器和激光下滑航路指示器的工作原理一致，下面來分別分析其工作原理。

如圖2所示，激光中線定位器的透鏡組可產(chǎn)生七束光，從左至右分別是：快閃紅色光束，表示處在中線偏左5°～10°；慢閃紅色光束，表示處在中線偏左1°～4°；穩(wěn)定紅色光束，表示處在中線偏左0.25°～0.75°；穩(wěn)定琥珀色光束，表示處在中線左0.25°～中線右0.25°；穩(wěn)定綠色光束，表示處在中線偏右0.25°～0.75°；慢閃綠色光束，表示處在中線偏右1°～4°；快閃綠色光束，表示處在中線偏右5°～10°。艦載機進場時，對準中心線時飛行員看到的是穩(wěn)定的琥珀色光，稍微偏離中心線時看到的是穩(wěn)定的綠色光或紅色光，偏離稍大時則看到低頻閃爍的綠色光或紅色光，若偏離更大則會看到高頻閃動的綠色光或紅色光[7]。

圖2　美航母激光助降系統(tǒng)光源示意

如圖3所示，激光下滑航路指示器的透鏡組可產(chǎn)生五束光，從下至上分別是：閃爍紅光，表示處在危險的偏低位置；穩(wěn)定紅光，表示偏低；穩(wěn)定琥珀色光，表示處于合適下滑道；穩(wěn)定綠光，表示偏高；閃爍綠光，表示下滑道向上過多。

圖3　激光中線定位器信號演示

圖4　激光下滑航路指示器信號演示

2.3技術(shù)難點及改進建議

激光中線定位器和激光下滑航路指示器均采用百瓦級的高可見度激光束提供引導信號，因此激光器、透鏡組、穩(wěn)定補償系統(tǒng)以及電磁干擾是其關(guān)鍵技術(shù)，這些關(guān)鍵技術(shù)直接影響著激光助降系統(tǒng)的可靠性。從圖2中可以看出，為完成激光中線定位器和激光下滑航路指示器的功能，其結(jié)構(gòu)上分別都安裝了七組和五組發(fā)射光源，這無形增加了透鏡組、穩(wěn)定補償系統(tǒng)以及電磁干擾的處理難度。美國在開發(fā)激光助降系統(tǒng)過程中，就曾由于穩(wěn)定補償和電磁干擾問題導致進度推遲了一年[8～9]。

因此，減少激光器的發(fā)射光源結(jié)構(gòu)尺寸，可降低透鏡組、穩(wěn)定補償系統(tǒng)以及電磁干擾的技術(shù)研制難度。下面采用圖像識別技術(shù)，對航母起降綜合電視監(jiān)視系統(tǒng)提供的中線視頻進行分析，利用結(jié)果對激光助降系統(tǒng)進行改進，以降低激光助降系統(tǒng)的技術(shù)設(shè)計及后期技術(shù)保障難度。

3　基于圖像識別的激光助降系統(tǒng)

3.1圖像識別技術(shù)

圖像識別技術(shù)是指利用圖像分析及處理算法對場景中的特定目標進行識別的技術(shù)。如航母起降綜合電視監(jiān)視系統(tǒng)中的中線視頻的十字線疊加就是基于圖像識別而完成的[10]。

圖5　十字線疊加后的中線視頻

3.2基于圖像識別的激光助降系統(tǒng)

在不影響其功能前提下，為了有效地減小激光中線定位器和激光下滑航路指示器的發(fā)射光源結(jié)構(gòu)尺寸，基于航母起降綜合電視監(jiān)視系統(tǒng)的中線視頻，采用圖像識別技術(shù)，在艦載機識別處理前提下，對激光助降系統(tǒng)進行改進。以激光中線定位器為例，其基本思想如圖6所示，為降低激光中線定位器發(fā)光源大結(jié)構(gòu)對透鏡組、穩(wěn)定補償系統(tǒng)以及電磁干擾的影響，改進激光助降系統(tǒng)的發(fā)光源為1組，減少其結(jié)構(gòu)尺寸面積，同時改進發(fā)光源的濾鏡片及發(fā)散透鏡設(shè)計，使發(fā)光源可以在同一個時刻發(fā)出只能發(fā)出一個顏色及角度范圍內(nèi)的指示光。

圖6　改進激光助降系統(tǒng)光源結(jié)構(gòu)

改進后的激光中線定位器和激光下滑航路指示器的光源演示如圖7、8所示，在艦載機著艦時，結(jié)合十字線疊加后的中線視頻分析，如艦載機在十字線偏下位置，激光下滑航路指示器發(fā)出閃爍紅光或穩(wěn)定紅光；如艦載機在十字線偏上位置，激光下滑航路指示器發(fā)閃爍綠光或穩(wěn)定綠光；如艦載機在下滑道允許偏差范圍內(nèi)，激光下滑航路指示器發(fā)出穩(wěn)定黃色光。同理，激光中線定位器會根據(jù)十字線疊加后的中線視頻中艦載機的左右偏差發(fā)出相應(yīng)的快閃紅色、慢閃紅色、穩(wěn)定紅色、穩(wěn)定黃色、穩(wěn)定綠色、慢閃綠色及快閃綠色。飛行員同一時刻只能看到激光中線定位器和激光下滑航路指示器單一的光源信號。

圖7　改進激光中線定位器信號演示

圖8　改進激光下滑航路指示器信號演示

4　結(jié)語

文章首先對美航母激光助降系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能原理進行了研究分析，總結(jié)出其主要的技術(shù)難點，提出了基于圖像識別的裝備改進方法，在不影響激光助降系統(tǒng)功能前提下，充分利用起降綜合電視監(jiān)視系統(tǒng)十字線疊加后的中線視頻分析結(jié)果，對裝備光源及透鏡進行改造，減小發(fā)光源尺寸，可有效降低激光助降系統(tǒng)透鏡組、穩(wěn)定補償系統(tǒng)以及電磁干擾的研制及技術(shù)保障難度。

[1]Rudowsky T,Cook S.Review of the carrier approach criteria for carrier based aircraft-phase final report[J].2002:12-24

[2]歐汛.航母艦載機著艦助降裝置[J].現(xiàn)代艦船,2005(8):44-47.

[3]楊炳恒,畢玉泉,徐偉勤.一種艦載機調(diào)運作業(yè)流程優(yōu)化模型[J].艦船科學技術(shù),2011,33(1):118-121.

[4]SHEMW ELL D M,VELLERT A A,GELLERT R I.Laser centerline localizer and laser glideslope indicator for visual guidance on approach to landing[J].Society of Photo-Optical Instrum entation Engineers,1994,23(6):14-28.

[5]VETTER A A,SHEMWELL D M.Dual use of the laser centerline localizer[J].Proceedings SPIE,the International Society for Optica,1995,2464:14-19.

[6]鄭峰嬰,楊一棟,胡恩勇.激光助降測向目視對中著艦引導系統(tǒng)[J].應(yīng)用科學學報,2008,4(26):431-435.

[7]趙登平,李彥慶,陳練.航空母艦研制面面觀[M].北京:海潮出版社,2012:197-199.

[8]王艷麗,張嵐.艦載直升機燈光助降系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計[J].成都信息工程學院學報,2003,1(18):86-90.

[9]薛海中.飛機著艦引導及監(jiān)視系統(tǒng)技術(shù)[M].鄭州:河南科學技術(shù)出版社,2009:3-5.

[10]吳文海,拜斌,范海震,等.基于光電引導的全天候自動著艦?zāi)Ｊ窖芯縖J].飛行力學,2013,31(2):126-134.

Laser Aided Landing System Based on Image Identification

YANG BinghengSUN JingFAN XiangdangZHANG Tao

(Qingdao Branch,Naval Aeronautical Engineering Institute,Qingdao266041)

Firstly,the structure and function principle of American carrier laser aided landing system are researched,and the main technology programs are analyzed.Then,an improved method of laser aided landing system based on image identification is proposed.Equipment function index should not be affected as a condition of improvement that equipment light source and lens are modified,making the best of analysis result of overlap video between midline and cross in takeoff and landing integrated television surveillance system.The reduction in light source size can effectively decrease technology support difficulty,study and development difficulty of lens,stabilization compensation system and electromagnetic interference in laser aided landing system.

laser aided landing system,LCL,LGI,image identification

2016年3月10日,

2016年4月28日

楊炳恒,男,碩士研究生,副教授,研究方向：艦面保障、裝備保障信息化。孫婧,女,博士,講師,研究方向：艦面保障。樊向黨,男,碩士研究生，講師,研究方向：艦面保障、艦面作業(yè)安全。張濤,男,博士,講師,研究方向：艦載機光學引導。

U674.771DOI：10.3969/j.issn.1672-9730.2016.09.031