基于图像识别的激光助降系统研究*

杨炳恒　孙　婧　樊向党　张　涛

(海军航空工程学院青岛校区　青岛　266041)



基于图像识别的激光助降系统研究*

杨炳恒孙婧樊向党张涛

(海军航空工程学院青岛校区青岛266041)

论文首先对美航母激光助降系统的结构及功能原理进行了研究，分析其主要的技术难点，提出了基于图像识别的激光助降系统改进方法，在不影响装备功能指标前提下，充分利用起降综合电视监视系统十字线叠加后的中线视频分析结果，对装备光源及透镜进行改造，减小发光源尺寸，可有效降低激光助降系统透镜组、稳定补偿系统以及电磁干扰的研制及技术保障难度。

激光助降系统;激光中线定位器;激光下滑航路指示器;图像识别

Class NumberU674.771

1　引言

航空母舰绝大多数作战使命都需要并且只能由舰载机来承担和完成，舰载机的出动率直接影响着航母的战斗力，在航母飞行甲板这种特殊环境下，舰载机的安全快速着舰是影响舰载机的出动效率的关键。为了扶助飞行员安全顺利着舰，现代航母都配备了光学助降系统[1～3]。

以美航母为例，为了更好地帮助飞行员完成着舰作业，自2001年开始，美海军为航母配备了菲涅尔透镜系统(改进型菲涅尔透镜)和激光助降系统两型主要的光学助降系统。在实际着舰作业中，这两型光学助降系统互为补充，共同完成指引飞行员保持正确下滑航道的功能，从而保障舰载机的安全顺利着舰[4～5]。

相对于菲涅尔透镜系统，一方面激光助降系统的作用距离更远，菲涅尔透镜系统作用距离只有离舰0.75海里(改进型菲涅尔透镜作用距离约为1.25海里)，激光助降系统作用距离可达10海里(最远可达15海里)。另一方面可以提高航母的生存力，这主要体现在：1)舰载机可在10海里之外直接进入下滑航道，无需在航母上方盘旋等待，避免暴漏航母位置； 2)激光助降系统不产生电磁辐射，具有隐身性； 3)在雷达和仪表助降故障时，可利用激光助降系统提供对中和下滑航道信息[6]。

2　激光助降系统

2.1系统典型结构

美航母配备的激光助降系统主要包括激光中线定位器(LCL)和激光下滑航路指示器(LGI)两个子系统。

图1　美航母激光助降系统

激光中线定位器由激光器、防护罩、滤光器、基座安装电源和纵摇/横摇补偿系统等部件组成，激光中线定位器安装在航母尾部飞行甲板下，主要为舰载机进场着舰的对中航道信息。激光下滑航路指示器由激光器、防护罩、滤光器、基座安装电源和纵摇/横摇补偿系统等部件组成，激光下滑航路指示器安装在舰岛上，可以帮助飞行员控制下滑角度，激光下滑航路指示器允许舰载机在1219m高、10海里远处进场，并能在0.5海里～10海里之间进行下滑道的指示，使飞行员有充裕的时间调整进场的下滑位置和姿态。

2.2工作过程

激光中线定位器和激光下滑航路指示器的均利采用百瓦级的高可见度激光束提供引导信号，由安全(对人眼不构成伤害)的激光彩色脉冲信号组成，共有5条或7条光路，可使舰载机飞行员得到定量的对中和下滑角度偏差信息，适时调整飞行进场下滑航路。除去精度和提供的光束数量及标示的角度不同，激光中线定位器和激光下滑航路指示器的工作原理一致，下面来分别分析其工作原理。

如图2所示，激光中线定位器的透镜组可产生七束光，从左至右分别是：快闪红色光束，表示处在中线偏左5°～10°；慢闪红色光束，表示处在中线偏左1°～4°；稳定红色光束，表示处在中线偏左0.25°～0.75°；稳定琥珀色光束，表示处在中线左0.25°～中线右0.25°；稳定绿色光束，表示处在中线偏右0.25°～0.75°；慢闪绿色光束，表示处在中线偏右1°～4°；快闪绿色光束，表示处在中线偏右5°～10°。舰载机进场时，对准中心线时飞行员看到的是稳定的琥珀色光，稍微偏离中心线时看到的是稳定的绿色光或红色光，偏离稍大时则看到低频闪烁的绿色光或红色光，若偏离更大则会看到高频闪动的绿色光或红色光[7]。

图2　美航母激光助降系统光源示意

如图3所示，激光下滑航路指示器的透镜组可产生五束光，从下至上分别是：闪烁红光，表示处在危险的偏低位置；稳定红光，表示偏低；稳定琥珀色光，表示处于合适下滑道；稳定绿光，表示偏高；闪烁绿光，表示下滑道向上过多。

图3　激光中线定位器信号演示

图4　激光下滑航路指示器信号演示

2.3技术难点及改进建议

激光中线定位器和激光下滑航路指示器均采用百瓦级的高可见度激光束提供引导信号，因此激光器、透镜组、稳定补偿系统以及电磁干扰是其关键技术，这些关键技术直接影响着激光助降系统的可靠性。从图2中可以看出，为完成激光中线定位器和激光下滑航路指示器的功能，其结构上分别都安装了七组和五组发射光源，这无形增加了透镜组、稳定补偿系统以及电磁干扰的处理难度。美国在开发激光助降系统过程中，就曾由于稳定补偿和电磁干扰问题导致进度推迟了一年[8～9]。

因此，减少激光器的发射光源结构尺寸，可降低透镜组、稳定补偿系统以及电磁干扰的技术研制难度。下面采用图像识别技术，对航母起降综合电视监视系统提供的中线视频进行分析，利用结果对激光助降系统进行改进，以降低激光助降系统的技术设计及后期技术保障难度。

3　基于图像识别的激光助降系统

3.1图像识别技术

图像识别技术是指利用图像分析及处理算法对场景中的特定目标进行识别的技术。如航母起降综合电视监视系统中的中线视频的十字线叠加就是基于图像识别而完成的[10]。

图5　十字线叠加后的中线视频

3.2基于图像识别的激光助降系统

在不影响其功能前提下，为了有效地减小激光中线定位器和激光下滑航路指示器的发射光源结构尺寸，基于航母起降综合电视监视系统的中线视频，采用图像识别技术，在舰载机识别处理前提下，对激光助降系统进行改进。以激光中线定位器为例，其基本思想如图6所示，为降低激光中线定位器发光源大结构对透镜组、稳定补偿系统以及电磁干扰的影响，改进激光助降系统的发光源为1组，减少其结构尺寸面积，同时改进发光源的滤镜片及发散透镜设计，使发光源可以在同一个时刻发出只能发出一个颜色及角度范围内的指示光。

图6　改进激光助降系统光源结构

改进后的激光中线定位器和激光下滑航路指示器的光源演示如图7、8所示，在舰载机着舰时，结合十字线叠加后的中线视频分析，如舰载机在十字线偏下位置，激光下滑航路指示器发出闪烁红光或稳定红光；如舰载机在十字线偏上位置，激光下滑航路指示器发闪烁绿光或稳定绿光；如舰载机在下滑道允许偏差范围内，激光下滑航路指示器发出稳定黄色光。同理，激光中线定位器会根据十字线叠加后的中线视频中舰载机的左右偏差发出相应的快闪红色、慢闪红色、稳定红色、稳定黄色、稳定绿色、慢闪绿色及快闪绿色。飞行员同一时刻只能看到激光中线定位器和激光下滑航路指示器单一的光源信号。

图7　改进激光中线定位器信号演示

图8　改进激光下滑航路指示器信号演示

4　结语

文章首先对美航母激光助降系统的结构及功能原理进行了研究分析，总结出其主要的技术难点，提出了基于图像识别的装备改进方法，在不影响激光助降系统功能前提下，充分利用起降综合电视监视系统十字线叠加后的中线视频分析结果，对装备光源及透镜进行改造，减小发光源尺寸，可有效降低激光助降系统透镜组、稳定补偿系统以及电磁干扰的研制及技术保障难度。

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[2]欧汛.航母舰载机着舰助降装置[J].现代舰船,2005(8):44-47.

[3]杨炳恒,毕玉泉,徐伟勤.一种舰载机调运作业流程优化模型[J].舰船科学技术,2011,33(1):118-121.

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[10]吴文海,拜斌,范海震,等.基于光电引导的全天候自动着舰模式研究[J].飞行力学,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

杨炳恒,男,硕士研究生,副教授,研究方向：舰面保障、装备保障信息化。孙婧,女,博士,讲师,研究方向：舰面保障。樊向党,男,硕士研究生，讲师,研究方向：舰面保障、舰面作业安全。张涛,男,博士,讲师,研究方向：舰载机光学引导。

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