機載條紋管成像激光雷達在拍岸區(qū)探測水雷

王 力，劉 峽，王 玥，吳中平

（中國船舶重工集團公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

我國海岸線、島岸線漫長，岸線多為沙底、泥底、礁石等，其海域特點是水淺，并且受到潮汐變化的影響，是敵方實施布雷封鎖的理想地帶。在我國的海洋拍岸區(qū)，一旦被敵方布設水雷，受潮汐的沖刷水雷可能會被掩埋、半掩埋、或藏于礁石中，在低潮期還會露出水面，對付這種拍岸區(qū)水雷目前還沒有很好的探測、識別、處理等反水雷手段。因為水太淺，常規(guī)獵掃雷艦艇和裝備不能進入，聲吶也不能對水雷進行有效探測，無法進行獵掃雷作業(yè)。另一方面，海外利益的保護、海外撤僑等也可能有登陸行動，特別是在臺獨勢力引發(fā)臺海局勢惡化，必然會有登陸作戰(zhàn)，這些行動都有可能面臨拍岸區(qū)反水雷問題。還有南海島礁問題，未來也可能有拍岸區(qū)反水雷作業(yè)的需求。綜上所述，為了填補拍岸區(qū)反水雷空白，考慮到激光雷達已經在國內外多領域得到應用[1]，可以利用無人機作為空中載體，搭載藍綠激光掃描探測系統，對拍岸區(qū)的水雷進行探測、識別，以解決拍岸區(qū)水雷探測、識別的難題。

1 藍綠激光成像雷達

條紋管激光成像雷達（STIL）是20世紀末在美國報道的一種技術[2-3]，是一種新型激光成像雷達，具有探測靈敏度高、視場大和距離分辨率高等特點。與其它光學成像技術相比，藍綠激光條紋管激光成像雷達能獲得空中、岸邊、水下目標的三維信息，是一種先進的空中、水下成像技術。

依據瞬態(tài)光學中高精度微弱信號測量原理，使用條紋管作為成像雷達的四維像探測器[4]，工作原理如圖1所示。光學系統將激光回波光信號的像成在狹縫上，狹縫取出的一維空間信息通過中繼透鏡成像在變像管的光電陰極上。當光電陰極上的狹縫部分被光脈沖照明時，將發(fā)射光電子，其瞬態(tài)發(fā)射密度正比于該時刻的光脈沖強度，因此光電陰極發(fā)出的電子脈沖在時空結構上是入射光脈沖的復制。電子脈沖經靜電聚焦系統聚焦進入偏轉系統。偏轉系統上加有隨時間線性變化的斜坡電壓[5]，不同時刻進入偏轉系統的電子受到不同偏轉電壓的作用，按照脈沖到達的時間先后順序，經MCP（微通道板）放大后到達熒光屏。在熒光屏上將沿垂直于狹縫的方向展開，這一方向對應于時間軸，可以得到沿狹縫每一點展開的時間信息，重構后便可以得到回波信號所對應的距離信息，即目標的距離像。

圖1 條紋管工作原理Fig.1 Working principle of streak-tube

相比較其它光成像技術，藍綠激光條紋管激光雷達不易受環(huán)境光照影響，在白天和夜晚均可穩(wěn)定成像，在運動狀態(tài)下也能得到穩(wěn)定的圖像，非常適合在空中對拍岸區(qū)進行快速掃描探測。

2 激光掃描條紋管成像實驗

圖2 STIL對水下目標的成像Fig.2 Image of underwater target by STIL

用條紋管成像探測器和高功率Nd：YAG激光器為核心器件的實驗裝置[6]在試驗水池進行了水下藍綠激光掃描條紋管成像實驗[7]，布放在水池打撈平臺上的沉底水雷模型和Manta水雷模型，在水深5 m的成像情況如圖2所示。

實驗樣機在空氣中的成像實驗情況如圖3所示。

圖3 空氣中對距離700 m的目標成像Fig.3 Image of 700 m target in air

3 無人機

使用激光雷達進行拍岸區(qū)的水雷探測，需要穩(wěn)定的飛行器搭載，美國海軍用直升機搭載激光雷達，直升機需要大型船舶或起降場地，也需要專業(yè)人員操作，使用起來很復雜，成本也很高。

隨著近幾年國內無人機技術的進步[8]，無人機越來越多的應用到了電力、農業(yè)、安防、林業(yè)、測繪、軍事等領域，無人機在飛行控制、云臺穩(wěn)定性、載重等方面有了長足的進步，重載荷無人機也已經應用在一些領域，使用無人機搭載激光雷達進行探測在技術上已不存在瓶頸。

激光雷達可以搭載于大型多旋翼無人機，多旋翼無人機是依靠多個旋翼產生的升力來抵消飛行器的重力，讓無人機上升或下降，通過改變每個旋翼的轉速來控制飛行器的平穩(wěn)和姿態(tài)。配合姿態(tài)傳感器，多旋翼飛行器可以在有風條件下定點穩(wěn)定懸停，在一定速度范圍內以任意的速度和方向飛行。配合衛(wèi)星導航系統，無人機可以在設置的范圍內自動進行定速定高飛行，既可以手動操控無人機，也可以自動規(guī)劃航路，對指定拍岸區(qū)域進行激光雷達掃描。

為保證飛行時激光探頭的穩(wěn)定性，可以將探頭安裝在三軸云臺上，三軸云臺可以消除無人機在飛行時帶來的姿態(tài)偏移和振動，保證激光雷達圖像的穩(wěn)定和清晰。根據實際需要，無人機還可以搭載高速無線數傳系統，在無人機和操控設備之間實時回傳掃描圖像，進行數據分析。

圖4 重載多旋翼無人機Fig.4 Heavy load multi-rotor UAV

圖5 無人機載激光雷達掃描探測示意圖Fig.5 Schematic diagram of scan and detection of UAV-borne STIL

4 結束語

無人機是藍綠激光探測系統一種比較好的載體，可以對拍岸區(qū)的水雷進行快速探測、識別，整套系統最少只需一人即可操控起降并完成拍岸區(qū)探測任務。陸地上可以安放在小型汽車內運輸，在探測地點附近公路上就能完成起降和操控，也可以在小型船舶上進行起降，在船上操控完成探測任務，可以實現多平臺使用。藍綠激光雷達也可在拍岸區(qū)以20 kn以上的速度進行快速探測。