机载条纹管成像激光雷达在拍岸区探测水雷

王 力，刘 峡，王 玥，吴中平

（中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，湖北宜昌443003）

0 引言

我国海岸线、岛岸线漫长，岸线多为沙底、泥底、礁石等，其海域特点是水浅，并且受到潮汐变化的影响，是敌方实施布雷封锁的理想地带。在我国的海洋拍岸区，一旦被敌方布设水雷，受潮汐的冲刷水雷可能会被掩埋、半掩埋、或藏于礁石中，在低潮期还会露出水面，对付这种拍岸区水雷目前还没有很好的探测、识别、处理等反水雷手段。因为水太浅，常规猎扫雷舰艇和装备不能进入，声呐也不能对水雷进行有效探测，无法进行猎扫雷作业。另一方面，海外利益的保护、海外撤侨等也可能有登陆行动，特别是在台独势力引发台海局势恶化，必然会有登陆作战，这些行动都有可能面临拍岸区反水雷问题。还有南海岛礁问题，未来也可能有拍岸区反水雷作业的需求。综上所述，为了填补拍岸区反水雷空白，考虑到激光雷达已经在国内外多领域得到应用[1]，可以利用无人机作为空中载体，搭载蓝绿激光扫描探测系统，对拍岸区的水雷进行探测、识别，以解决拍岸区水雷探测、识别的难题。

1 蓝绿激光成像雷达

条纹管激光成像雷达（STIL）是20世纪末在美国报道的一种技术[2-3]，是一种新型激光成像雷达，具有探测灵敏度高、视场大和距离分辨率高等特点。与其它光学成像技术相比，蓝绿激光条纹管激光成像雷达能获得空中、岸边、水下目标的三维信息，是一种先进的空中、水下成像技术。

依据瞬态光学中高精度微弱信号测量原理，使用条纹管作为成像雷达的四维像探测器[4]，工作原理如图1所示。光学系统将激光回波光信号的像成在狭缝上，狭缝取出的一维空间信息通过中继透镜成像在变像管的光电阴极上。当光电阴极上的狭缝部分被光脉冲照明时，将发射光电子，其瞬态发射密度正比于该时刻的光脉冲强度，因此光电阴极发出的电子脉冲在时空结构上是入射光脉冲的复制。电子脉冲经静电聚焦系统聚焦进入偏转系统。偏转系统上加有随时间线性变化的斜坡电压[5]，不同时刻进入偏转系统的电子受到不同偏转电压的作用，按照脉冲到达的时间先后顺序，经MCP（微通道板）放大后到达荧光屏。在荧光屏上将沿垂直于狭缝的方向展开，这一方向对应于时间轴，可以得到沿狭缝每一点展开的时间信息，重构后便可以得到回波信号所对应的距离信息，即目标的距离像。

图1 条纹管工作原理Fig.1 Working principle of streak-tube

相比较其它光成像技术，蓝绿激光条纹管激光雷达不易受环境光照影响，在白天和夜晚均可稳定成像，在运动状态下也能得到稳定的图像，非常适合在空中对拍岸区进行快速扫描探测。

2 激光扫描条纹管成像实验

图2 STIL对水下目标的成像Fig.2 Image of underwater target by STIL

用条纹管成像探测器和高功率Nd：YAG激光器为核心器件的实验装置[6]在试验水池进行了水下蓝绿激光扫描条纹管成像实验[7]，布放在水池打捞平台上的沉底水雷模型和Manta水雷模型，在水深5 m的成像情况如图2所示。

实验样机在空气中的成像实验情况如图3所示。

图3 空气中对距离700 m的目标成像Fig.3 Image of 700 m target in air

3 无人机

使用激光雷达进行拍岸区的水雷探测，需要稳定的飞行器搭载，美国海军用直升机搭载激光雷达，直升机需要大型船舶或起降场地，也需要专业人员操作，使用起来很复杂，成本也很高。

随着近几年国内无人机技术的进步[8]，无人机越来越多的应用到了电力、农业、安防、林业、测绘、军事等领域，无人机在飞行控制、云台稳定性、载重等方面有了长足的进步，重载荷无人机也已经应用在一些领域，使用无人机搭载激光雷达进行探测在技术上已不存在瓶颈。

激光雷达可以搭载于大型多旋翼无人机，多旋翼无人机是依靠多个旋翼产生的升力来抵消飞行器的重力，让无人机上升或下降，通过改变每个旋翼的转速来控制飞行器的平稳和姿态。配合姿态传感器，多旋翼飞行器可以在有风条件下定点稳定悬停，在一定速度范围内以任意的速度和方向飞行。配合卫星导航系统，无人机可以在设置的范围内自动进行定速定高飞行，既可以手动操控无人机，也可以自动规划航路，对指定拍岸区域进行激光雷达扫描。

为保证飞行时激光探头的稳定性，可以将探头安装在三轴云台上，三轴云台可以消除无人机在飞行时带来的姿态偏移和振动，保证激光雷达图像的稳定和清晰。根据实际需要，无人机还可以搭载高速无线数传系统，在无人机和操控设备之间实时回传扫描图像，进行数据分析。

图4 重载多旋翼无人机Fig.4 Heavy load multi-rotor UAV

图5 无人机载激光雷达扫描探测示意图Fig.5 Schematic diagram of scan and detection of UAV-borne STIL

4 结束语

无人机是蓝绿激光探测系统一种比较好的载体，可以对拍岸区的水雷进行快速探测、识别，整套系统最少只需一人即可操控起降并完成拍岸区探测任务。陆地上可以安放在小型汽车内运输，在探测地点附近公路上就能完成起降和操控，也可以在小型船舶上进行起降，在船上操控完成探测任务，可以实现多平台使用。蓝绿激光雷达也可在拍岸区以20 kn以上的速度进行快速探测。