基于直升机机动特征的机载避障激光雷达性能参数分析

王朝晖，井晨睿，郝培育，李金全，郭立伟，何 磊

（1.洛阳电光设备研究所，河南 洛阳 471000；2.洛阳师范学院 物理与电子信息学院，河南 洛阳 471934）

高速直升机在低空飞行条件下所面对的复杂多样的飞行环境和气象条件会对飞行安全造成严重的威胁[1]。避障激光雷达是确保直升机在低空快速机动条件下飞行安全的重要技术手段之一[2-4]。激光雷达采用高重频激光器发射激光脉冲进行激光测距，结合大范围扫描系统对飞机前方一定视场内的区域进行扫描探测，从而获取目标区域障碍物的距离、方位以及三维几何结构信息，可为飞机的障碍规避、路径规划提供依据[5-6]。在实际的避障激光雷达设计过程中，受限于机载空间体积的限制以及核心器件的发展水平，较远的探测距离和较大的探测视场往往无法兼顾。因此需要根据飞机的机动特征，对所需要的预警时间以及避障激光雷达的主要性能参数进行分析权衡，实现避障激光雷达的性能参数与直升机的机动特征相匹配。

本文借鉴ELOP公司对飞行路径与避障激光雷达性能参数的匹配设计方法[7]，对直升机在90°转弯情况下，影响系统预警时间的性能指标进行仿真分析研究，研究结果对直升机在特定机动条件下避障激光雷达的参数优化分析具有重要意义。

1 理论模型

由于直升机的飞行速度相对不快，垂直方向的机动能力也不强，但水平方向机动能力较强[1]，因此需要重点考虑直升机水平转弯飞行情况下避障系统的性能参数。激光雷达的探测距离、探测视场和随动视场分别记做Rd、FOV和FOR。这里探测视场指激光雷达扫描探测的角度范围，随动视场指激光雷达依靠平台的偏转所能获取的最大探测角度范围，其对应的几何关系如图1所示。直升机的飞行速度和转弯角速度为V和ω，考虑到转弯角速度与激光雷达参数的关系，将转弯速度分为慢速、中速以及快速，其中慢速转弯满足[7]：

图1 激光雷达主要性能参数示意图

中速转弯满足条件：

快速转弯满足条件：

临界角速度ω1和ωmin分别可以表示为：

在慢速转弯情况下，由于角速度较低，探测视场可覆盖飞行轨迹而无需依靠平台的偏转，根据几何关系可知预警时间仅与最大探测距离有关：

在中速转弯情况下，根据随动视场是否可以覆盖飞行轨迹，其预警时间又可分为两种情况：

在快速转弯情况下，由于角速度较高，飞行轨迹未到达最远探测距离时即偏离视场边缘，此时预警时间可以表示为：

其中θ1需满足条件：

依据上文理论可以看出，系统预警时间由避障激光雷达的设计指标与直升机的飞行轨迹共同确定。以下对直升机机动特征、系统预警时间以及激光雷达性能参数之间的关系进行仿真分析。

2 系统预警时间影响因素分析

根据当前避障激光雷达的发展情况[2-3]，将飞机飞行速度、激光雷达的探测视场和随动视场分别设定为V＝80 m/s、FOV=30°、FOR=80°，将探测距离Rd分别设定为1 000、800和500 m。系统预警时间随飞机转弯角速度变化的关系曲线如图2（a）所示。将飞机转弯速度、激光雷达的探测距离和随动视场分别为V＝80 m/s、Rd=800 m、FOR=80°，取FOV分别为20°、50°和80°，得到系统的预警时间随直升机转弯角速度变化的关系曲线，如图2（b）所示。其中转弯的慢速、中速和快速所对应的角速度区间分别用实线、虚线和点线进行标记。

图2 激光雷达预警时间与飞机转弯角速度关系曲线

从图中可以看出，当直升机的转弯角速度处于慢速区间时，系统预警时间随着转弯角速度的增加缓慢上升。当增大转弯角速度至中速区间后，预警时间随着角速度的增加而迅速下降。而当飞机进入快速转弯区间后，预警时间下降缓慢，直至最小值。另一方面，可以看出系统的预警时间与避障激光雷达的性能参数密切相关。当探测距离增大或探测视场增大时，相同条件下的预警时间显著增加。因此系统的预警时间需要由飞机平台的机动特征与激光雷达的性能参数综合确定。

3 激光雷达性能参数优化设计方法

受限于载机平台的有限重量体积，激光光源的脉冲能量、重复频率等参数往往无法同时提升，使得激光雷达的探测距离和探测视场无法兼顾。当飞机平台的机动特征确定时，可将探测距离-探测时间二维平面上每个点的预警时间进行仿真计算，如图3所示，这里将随动视场固定为80°。根据预警时间不同，可将二维平面划分为3个区域：分别为高风险区域（小于5 s，深色区域）、中风险区域（5~10 s，灰色区域）以及低风险区域（大于10 s，浅灰色区域）。不同颜色对应的预警时间已在图的右侧标注出来。

可以看出，随着平台的机动特征变化，系统的风险区域也随之在探测视场-探测距离二维平面上移动。飞机飞行速度越快，转弯角速度越高，相同的预警时间对激光雷达的性能参数要求也越高。而飞机的机动特征一旦确定，对于确定的预警时间，探测视场为探测距离的单调减函数。在进行避障激光雷达的参数设计时，可以采取如下步骤实现激光雷达指标参数与载机平台机动特征匹配设计：（1）确定飞机的极限机动特征，绘制出如图3所示的预警时间随探测视场和探测距离变化的仿真结果；（2）确定系统所需的预警时间范围，从仿真结果中确定满足要求的探测视场和探测距离的变化范围；（3）根据载机的体积重量约束条件，确定最为合适的激光雷达性能指标。

图3 载机平台机动特征不同的情况下，系统预警时间仿真结果

3 结束语

本文首先根据载机平台的机动特征和避障激光雷达的性能参数，建立了系统预警时间的理论模型；然后根据理论模型对预警时间的影响因素进行分析；最后根据分析结果，确定了避障激光雷达的性能参数与直升机机动特征的匹配设计方法。所建立的指标分析方法在机载避障激光雷达的性能指标设计中有重要的实用价值。