基于直升機機動特征的機載避障激光雷達性能參數分析

王朝暉，井晨睿，郝培育，李金全，郭立偉，何 磊

（1.洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471000；2.洛陽師范學院 物理與電子信息學院，河南 洛陽 471934）

高速直升機在低空飛行條件下所面對的復雜多樣的飛行環境和氣象條件會對飛行安全造成嚴重的威脅[1]。避障激光雷達是確保直升機在低空快速機動條件下飛行安全的重要技術手段之一[2-4]。激光雷達采用高重頻激光器發射激光脈沖進行激光測距，結合大范圍掃描系統對飛機前方一定視場內的區域進行掃描探測，從而獲取目標區域障礙物的距離、方位以及三維幾何結構信息，可為飛機的障礙規避、路徑規劃提供依據[5-6]。在實際的避障激光雷達設計過程中，受限于機載空間體積的限制以及核心器件的發展水平，較遠的探測距離和較大的探測視場往往無法兼顧。因此需要根據飛機的機動特征，對所需要的預警時間以及避障激光雷達的主要性能參數進行分析權衡，實現避障激光雷達的性能參數與直升機的機動特征相匹配。

本文借鑒ELOP公司對飛行路徑與避障激光雷達性能參數的匹配設計方法[7]，對直升機在90°轉彎情況下，影響系統預警時間的性能指標進行仿真分析研究，研究結果對直升機在特定機動條件下避障激光雷達的參數優化分析具有重要意義。

1 理論模型

由于直升機的飛行速度相對不快，垂直方向的機動能力也不強，但水平方向機動能力較強[1]，因此需要重點考慮直升機水平轉彎飛行情況下避障系統的性能參數。激光雷達的探測距離、探測視場和隨動視場分別記做Rd、FOV和FOR。這里探測視場指激光雷達掃描探測的角度范圍，隨動視場指激光雷達依靠平臺的偏轉所能獲取的最大探測角度范圍，其對應的幾何關系如圖1所示。直升機的飛行速度和轉彎角速度為V和ω，考慮到轉彎角速度與激光雷達參數的關系，將轉彎速度分為慢速、中速以及快速，其中慢速轉彎滿足[7]：

圖1 激光雷達主要性能參數示意圖

中速轉彎滿足條件：

快速轉彎滿足條件：

臨界角速度ω1和ωmin分別可以表示為：

在慢速轉彎情況下，由于角速度較低，探測視場可覆蓋飛行軌跡而無需依靠平臺的偏轉，根據幾何關系可知預警時間僅與最大探測距離有關：

在中速轉彎情況下，根據隨動視場是否可以覆蓋飛行軌跡，其預警時間又可分為兩種情況：

在快速轉彎情況下，由于角速度較高，飛行軌跡未到達最遠探測距離時即偏離視場邊緣，此時預警時間可以表示為：

其中θ1需滿足條件：

依據上文理論可以看出，系統預警時間由避障激光雷達的設計指標與直升機的飛行軌跡共同確定。以下對直升機機動特征、系統預警時間以及激光雷達性能參數之間的關系進行仿真分析。

2 系統預警時間影響因素分析

根據當前避障激光雷達的發展情況[2-3]，將飛機飛行速度、激光雷達的探測視場和隨動視場分別設定為V＝80 m/s、FOV=30°、FOR=80°，將探測距離Rd分別設定為1 000、800和500 m。系統預警時間隨飛機轉彎角速度變化的關系曲線如圖2（a）所示。將飛機轉彎速度、激光雷達的探測距離和隨動視場分別為V＝80 m/s、Rd=800 m、FOR=80°，取FOV分別為20°、50°和80°，得到系統的預警時間隨直升機轉彎角速度變化的關系曲線，如圖2（b）所示。其中轉彎的慢速、中速和快速所對應的角速度區間分別用實線、虛線和點線進行標記。

圖2 激光雷達預警時間與飛機轉彎角速度關系曲線

從圖中可以看出，當直升機的轉彎角速度處于慢速區間時，系統預警時間隨著轉彎角速度的增加緩慢上升。當增大轉彎角速度至中速區間后，預警時間隨著角速度的增加而迅速下降。而當飛機進入快速轉彎區間后，預警時間下降緩慢，直至最小值。另一方面，可以看出系統的預警時間與避障激光雷達的性能參數密切相關。當探測距離增大或探測視場增大時，相同條件下的預警時間顯著增加。因此系統的預警時間需要由飛機平臺的機動特征與激光雷達的性能參數綜合確定。

3 激光雷達性能參數優化設計方法

受限于載機平臺的有限重量體積，激光光源的脈沖能量、重復頻率等參數往往無法同時提升，使得激光雷達的探測距離和探測視場無法兼顧。當飛機平臺的機動特征確定時，可將探測距離-探測時間二維平面上每個點的預警時間進行仿真計算，如圖3所示，這里將隨動視場固定為80°。根據預警時間不同，可將二維平面劃分為3個區域：分別為高風險區域（小于5 s，深色區域）、中風險區域（5~10 s，灰色區域）以及低風險區域（大于10 s，淺灰色區域）。不同顏色對應的預警時間已在圖的右側標注出來。

可以看出，隨著平臺的機動特征變化，系統的風險區域也隨之在探測視場-探測距離二維平面上移動。飛機飛行速度越快，轉彎角速度越高，相同的預警時間對激光雷達的性能參數要求也越高。而飛機的機動特征一旦確定，對于確定的預警時間，探測視場為探測距離的單調減函數。在進行避障激光雷達的參數設計時，可以采取如下步驟實現激光雷達指標參數與載機平臺機動特征匹配設計：（1）確定飛機的極限機動特征，繪制出如圖3所示的預警時間隨探測視場和探測距離變化的仿真結果；（2）確定系統所需的預警時間范圍，從仿真結果中確定滿足要求的探測視場和探測距離的變化范圍；（3）根據載機的體積重量約束條件，確定最為合適的激光雷達性能指標。

圖3 載機平臺機動特征不同的情況下，系統預警時間仿真結果

3 結束語

本文首先根據載機平臺的機動特征和避障激光雷達的性能參數，建立了系統預警時間的理論模型；然后根據理論模型對預警時間的影響因素進行分析；最后根據分析結果，確定了避障激光雷達的性能參數與直升機機動特征的匹配設計方法。所建立的指標分析方法在機載避障激光雷達的性能指標設計中有重要的實用價值。