一种激光测距装置的设计与实现

李光磊

应用研究

一种激光测距装置的设计与实现

李光磊

（海装驻九江地区军事代表室，江西九江 332007）

针对目前舰船横向航行补给时两舰距离测量方法，通过激光测距技术研究，设计了一种船用激光测距装置。详细介绍了其工作原理、结构设计和软件设计，并对其传感器信号融合处理关键技术进行了攻关与验证，解决了距离索测量时无法连续自动提供距离及其变化速率信息的问题，为舰船航行补给和靠离码头安全操纵提供保障。

激光测距 航行补给 设计

0 引言

本研究之激光测距装置[1～3]主要用于舰船补给和靠泊任务状态下，在横向航行补给过程中提供本舰与补给舰之间的距离、距离变化速度信息，在靠泊过程中提供本舰与码头之间的距离、距离变化速度、入泊角信息，为舰船航行补给和靠离码头安全操纵提供保障。该设备充分借鉴激光测距传感器技术，结合航空系统光电吊舱[4]和安防视频监控系统[5]的设计理念，具备一体化、模块化、先进性、高安全性、高可靠性和高度自动化等特点。

1 工作原理

1.1 脉冲激光水平测距原理

1.2 水平距离测量原理

1.3 自动测距原理

两舰横向航行补给作业一般时间较长，且两舰的相对位置变化较小，因此该过程可由测距装置持续自动测距。

横向航行补给持续测距过程中，本舰的横摇是造成测量目标丢失的最主要原因[6～8]。激光束在随舰船横摇上下最大幅值时到达被测船舶的高度差的最大值，在一个横摇周期内，测量目标丢失概率较大。将激光测距传感器安装于具有舰船横摇稳定功能的稳定云台上，稳定云台始终保持传感器的俯仰角稳定，隔离舰船横摇，确保激光束俯仰角保持不变。此时，激光束在舰船横摇最大幅值时被测船舶的高度差有效减少，降低了测量目标的丢失概率，实现自动测距的目的。

1.4 云台稳定原理

稳定云台具有两自由度旋转轴，分别实现负载方位旋转和俯仰旋转。在手动模式下，可通过手柄控制方位轴和俯仰轴的旋转。在自动模式下，由计算机根据陀螺仪及旋转变压器的反馈角度解算出方位轴和俯仰轴的指令转角，驱动电机旋转，实现陀螺稳定的功能。

微处理器根据操作人员的设定角度和陀螺仪角度实时解算方位轴和俯仰轴的指令转角，指令转角通过比较、放大、驱动等环节驱动电机旋转，电机控制部分采用位置、速度和电流三闭环的伺服控制方式，位置和速度控制器采用数字PID的控制方法，在传统的PID控制基础上采用零相差前馈控制，非线性积分分离控制，不完全微分控制等控制策略，有效地提高控制系统的伺服精度。

2 结构设计

2.1 测距云台

测距云台由稳定云台、激光测距传感器和目标影像传感器组成，集激光测距、影像采集、信号编解码、云台伺服控制功能为一体。稳定云台具有方位和俯仰两自由度旋转轴，由壳体、方位轴伺服机构、俯仰轴伺服机构（执行电机和测角元件）、陀螺仪、限位机构、支撑件、轴承及密封件等组成，用于承载激光测距传感器和目标影像传感器，在伺服系统驱动下实现方位、俯仰转动，对周围目标进行测距。其中，测距传感器用于测距的激光是不可见的，可利用测距传感器附带的辅助激光瞄准测量目标。测距传感器上配置望眼镜，用于瞄准远距离目标。

测距云台的设计充分考虑了海洋工作环境和舱外防护要求。壳体采用全铝合金铸造，壳体表面采用舰船设备通用的涂覆技术，各转动机构采用水密设计，具有防雨水和耐盐雾腐蚀能力；云台的转体采用球形结构设计，具有很强的抗风能力；传感器及各电路板集中密封安装于云台内部，不会遭受灰尘、雨水、盐雾等侵扰；测距云台的信号线与电源线从底部集中引出，安装后表面无任何电缆电线，使得设备外观整洁美观。

2.2 控制箱

控制箱安装在测距云台附件的舱室内。可通过控制箱上显示终端观察云台的瞄准目标，通过手柄模块改变云台的指向，需要将信息呈现给对方人员时将大型告示器电源按钮打开。

2.3 采集发送箱

采集发送箱安装在驾驶室，采集发送箱主要包括记录模块、通讯模块和接口模块等。具有控制稳定云台、与各测量点控制箱信息交互、提供互联系统的对外接口、综合信息融合处理和显示等功能。

2.4 告示器

大型告示器用于将单监测点水平距离告知给对方工作人员，由四个独立数码模块组成，分别进行加固，内部通过高亮红色LED指示灯显示数字，采用全密闭结构形式，具有自屏蔽、自密封、自散热功能。告示器字体大小和亮度确保可视距离大于100 m，该组件根据实际需求作为备选。

2.5 手柄模块

手柄模块安装于各控制箱和操舵仪驾驶室操纵台，用于测距云台的指向控制。操舵仪驾驶室操纵台上的手柄模块可通过模块上的选择按键选择需要控制的监测点。

3 软件设计

3.1 概述

激光测距装置软件以单片机或实时嵌入式系统为运行平台，包括信号处理软件、伺服控制软件、显示软件、告示软件、编码软件、存储软件、通讯接口软件，各设备软件分配如表1所示。

表1 激光测距装置软件分配表

3.2 信号处理软件

运行于测距云台信号处理板，主要功能有：

a）激光测距传感器和目标影像传感器信号的采集以及信号叠加处理；

b）稳定云台控制信号的指令解码；

c）完成与运动控制板及内部以太网通信。

3.3 伺服控制软件

运行于测距云台运动控制板，接收信号处理板的指令信号，采集方位轴和俯仰轴角度信号，运行稳定云台运动控制算法。

3.4 显示软件

显示软件运行于控制箱，显示内容主要有：该监测点的监测画面、距离、云台俯仰角、云台方位角、距离变化曲线、速度变化曲线、监测点设备工作状态、报警等信息。

操舵仪驾驶室操纵台集成了激光测距装置监测画面，在补给或靠泊过程中供指挥和操作人员参考，主要显示内容有：各点的监测画面、距离、云台俯仰角、云台方位角、舰舰或舰岸相对距离、距离变化速度、报警信息等。

3.5 编码软件

运行于手柄模块，采集各控制按键及操纵手柄的输入指令，将指令进行数字编码，通过以太网发送给各监测点。

3.6 存储软件

运行于记录模块，完成对各监测点监测数据的实时记录。

3.7 通信接口软件

运行于接口模块，负责激光测距装置与外部其他设备的数据通讯连接，实现不同形式接口之间的数据交互，并起到信息隔离的作用。

3.8 告示软件

运行于大型告示器，接收控制箱显示终端的单点水平距离。

4 关键技术及解决措施

传感器信号融合处理技术[9～10]是把分布在不同监测位置的多个传感器所提供的局部数据资源加于综合，采用计算机技术对其进行分析，加于互补，获得被测对象的一致性描述，提高对测量目标的感知能力，增加获得信息的可信度。

测距云台进行激光测距传感器及目标影像传感器的信号采集和处理，将激光测距反射点及距离与影像画面叠加，形成独立的监测画面；操舵仪驾驶室操纵台显示终端根据各测距云台在舰上的坐标位置及各传感器数据，解算出舰舰或舰岸的相对位置，并以直观的方式显示。

将激光测距传感器、目标影像传感器、信号采集板、计算机按图2连接，计算机按照设计信号融合处理算法运行，根据传感器各种数据，显示相应的动态画面及参数，效果与设计要求相符。

图2 多传感器信号融合处理验证连接图

5 结语

本文从激光测距装置的功能对整个装置进行了描述，然后对装置的工作原理、架构组成和软件设计等方面进行了分析，结构美观大方、面板布局合理，操作便利，较好地解决了舰船横向航行补给过程中舰舰距离以及靠泊过程中舰岸距离的精确测量问题，为舰船航行补给操纵和靠泊操纵提供安全保障。对舰船装备的创新发展具有一定的参考交流价值。

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Design and Implementation of A Shipborne Laser Ranging Device

Li Guanglei

(Navy Military Representative Office in Jiujiang Aera, Jiujiang 332007, Jiangxi, China)

P225

A

1003-4862（2021）09-0050-04

2020-12-30

李光磊（1983-），男，硕士，工程师。研究方向：导航、制导与控制。E-mail：526700059@qq.com