机载激光雷达技术在战场油料保障中的应用研究*

王 晧 雍歧卫 段纪淼 方 钢 孙综理

（1.陆军勤务学院 重庆 401331）（2.陆军后勤部 北京 100072）

1 引言

油料是作战武器装备和运输机具的动力食粮。现代战争中的油料消耗量巨大，比如第二次世界大战总耗油量高达三亿多吨，约占作战总物资消耗的50%以上，其中由于战场油料供应及时，成功扭转战局的例子不少[1]。随着“非接触式”作战理念的提出与发展[2]，对保存战场有生力量有了更高的要求，加上军队裁员、规模压缩，都从不同侧面要求对油料保障的方式方法、技术手段进行研究创新和升级换代，达到在各种复杂战场环境下快速高效保障的目的。

实现战场油料高质量、不间断供应保障，首先需要指挥员快速定下保障决心、科学决策，如野战输油线路优选、泵站数量与位置确定等。后勤部队尤其是基层单位常用的军用地图实时性差且缺乏三维深度信息、量测计算不方便；若采用传统大地测量方法临时测绘，却费时费力。随着科学技术不断进步，无人机（UAV）技术和激光雷达（LiDAR）技术逐渐发展成熟，通过无人机平台搭载激光雷达传感器，对战场区域进行空中扫描并建模，具有实时性、精确性、直观性、快速性，节省人力物力。基于构建的三维战场环境模型，可以深入分析地形、地貌、地物，对油料装备定位部署提前谋划，形成最优配置方案。利用机载激光雷达采集的精确坐标，通过智能化无人平台，可将所需油料精准前送至用油装备，战场油料保障最后“一公里”难题迎刃而解。无人机以及激光雷达技术是当前新兴技术和热点技术，具有前沿性和实用性，以此为切入点开展相关应用研究，能够解决一部分战场油料保障难题。

2 机载激光雷达技术的发展与应用

2.1 无人机遥感技术的发展

无人机（Unmanned Aerial Vehicle）是一种实现了无人驾驶、自主控制的航空器，最早于1917年诞生并运用于军事领域[3]。而无人机遥感技术是在无人机和遥感技术发展成熟之后形成的新型航空遥感技术。其利用无人机作为平台，携带遥感传感器、通信系统等硬件设备，在遥测遥控、无线通讯、GPS差分定位等技术的支持下实现遥感数据的获取和处理[4]。通过分析得到的丰富地表信息，可制作出符合标准的各种比例尺地图产品[5]，具备快速高效、灵活机动、全天候作业、风险小、损耗低等明显优点，在军用、民用领域都有着广阔前景。从20世纪90年代以来，得益于飞行控制技术的巨大突破，以及传感器、动力系统、复合材料等新技术的发展，整个无人机行业发展迅速。

无人机遥感系统的核心是传感器（载荷）。常用的无人机传感器包括光学相机、红外传感器、多/高光谱成像仪、合成孔径雷达（SAR）、激光雷达等。目前市面上光学相机和红外探测器等载荷相对应用较多，但随着激光雷达技术的出现和发展，小型激光雷达传感器逐渐被用于无人机上。在该领域，西方发达国家技术相对较成熟，如加拿大的Optech公司、美国的Cyra Technologies公司和Velodyne公司、德国的IBEO Lasertech-nik公司和SICK Optic_Electronic公司等等，利用其研制的激光雷达系统在三维城市构建和地理信息采集等方面发挥着较大作用。近年来国内相关技术和产品应用也逐渐成熟，如上海禾赛科技有限公司生产的Pander系列激光雷达已经开始用于国内的电力、林业等相关领域；随着激光雷达成本的日趋下探，如大疆的Livox系列激光雷达传感器等，大大降低了机载激光雷达使用的准入门槛[6]。

2.2 激光雷达技术的发展

激光雷达作为一种主动探测技术，能够快速、准确地采集空间内的三维点云数据，在三维场景构建、目标识别分类、地理信息测量等方面有着明显的技术优势[7]。激光雷达通常可搭载在卫星、飞机（无人机）、车辆和手持设备等移动平台上，实时采集周围环境的三维数据。相较于其他方式，机载（特别是无人机载）激光雷达技术具备机动性强、时效性好、分辨率高、受空间限制小、采集信息量大等特点[8]，在复杂多样、时限要求较高的战场环境采集数据时有着较大优势。

2.2.1 激光雷达分类

激光雷达是集雷达、激光、大气光学和电算等技术为一体的技术，其原理涉及到许多物理学领域。激光雷达的具体分类方式，按波段可分为可见激光雷达、紫外激光雷达和红外激光雷达等；按工作介质可分为气体激光雷达、固体激光雷达、半导体激光雷达等；按激光发射波形可分为脉冲激光雷达、连续调制激光雷达等；按功能用途可分为激光测速雷达、激光测距雷达、激光测角、激光成像雷达、生物探测激光雷达和大气探测激光雷达等；按激光雷达探测技术可分为直接探测激光雷达和相干探测激光雷达[9]；按激光雷达成像体制不同，可分为扫描式成像和面阵式成像[10]。

2.2.2 激光雷达原理及特点

自20世纪六七十年代，随着传感器件和激光技术不断发展，西方发达国家便率先开始研究激光雷达三维成像技术。激光雷达成像原理可简单描述为采用特定功率的激光束扫描目标，反射的回波信号通过单元探测器采集，提取回波信号中的有用信息，生成三维点云，如图1所示[11]。通过分析回波信号的频率幅度变化、时间周期、波束指向等数据，能够得到被测目标的位置、速度、距离等信息，结合激光雷达自身位姿信息，能进一步计算出目标三维坐标。其特点可概括为1）可全天候作业，不受光照强度影响；2）不用地面控制点的配合；3）穿透性强，能够穿过植被或伪装障碍成像；4）能够抗电磁干扰；5）在可见光或红外探测器补充融合下，能全方位感知目标信息；6）更新周期短，成像效率高[12]。

图1 机载扫描式激光雷达工作原理简图

2.2.3 国外激光雷达技术的发展

激光雷达技术最早可追溯到20世纪五六十年代，用于军用导弹制导领域的研究，到20世纪末开始在其他领域逐渐应用并发展迅速。20世纪90年代末，美国麻省理工学院林肯实验室（MIT/LL）开始了将盖革模式下的雪崩光电二极管焦平面阵列（GM-APD FPAs）用于面阵式激光雷达方面的研究，从4× 4、8×8一直到256× 256[13]；2005年，MIT/LL的Richard等研制出Jigsaw激光三维成像系统，该系统应用于低空侦察，能穿透一定的障碍物。2008年，加拿大公司Optech[12]在美军资助下开始进行SHOALS系列高精度机载激光雷达研究工作。研制的SHOALS 3000，总载荷质量217kg，不仅能够对地测绘还能够对海洋测绘，在对海探测模式下，工作高度约300m～400m，测深可达50m；针对飞行高度影响点云质量这一问题，Optech公司还研制出Galaxy机载激光三维成像系统，可以根据无人机相对飞行高度不断调整视场角，使点云密度和扫描宽度相对固定，该系统质量27kg，采用1064nm激光器，视场角10°～60°，工作高度约150m～6000m[14]。2010年，在美国空军资助下MIT/LL的Robert等[15]研制出机载雷达成像试验台系统（ALIRT），该系统使用32*128面阵的盖革APD，飞行高度3000m，对地面能实现2000km2/h的快速三维建模，精度能达到0.3m。2012年，美国塔斯马尼亚大学的Wallace等[16]用无人机搭载Ibeo公司生产的LUX激光雷达成像系统完成了地面三维成像建模的实验，系统运用的4条平行线同步进行扫描的原理，质量约1kg，激光波长905nm，飞行高度200m。2016年美国Vescent Photonics 公司的Davis等[17]设计的机载激光雷达载荷很好地实现了轻量化和低功耗的要求，质量小于1kg，功耗小于20W，该系统为全固态激光三维成像系统，在满足轻量化和低功耗的同时也有效解决了扫描惯性延迟和机械共振等问题，使激光雷达系统能够应用于小型无人机平台。另外，美国的Phonix公司、奥地利Riegl公司、德国Leica公司等，也都在激光雷达成像领域开发出较为成熟的系统[4]。

2.2.4 国内激光雷达技术的发展

国内对机载激光雷达技术的研究起步较晚，但发展迅速。1999年，中科院上海物理研究所研制出ASLRIS激光雷达系统，飞机飞行高度大于600m，水平分辨率5m，距离分辨率10cm，用该系统成功对澳门地区进行了三维成像；2007年，该所升级过后的激光雷达系统距离精度可达0.35m[18]。2008年，中科院光电研究院研制出AOE-LiDAR机载激光雷达系统并完成试飞实验，飞行高度在200m～3500m，2011年进一步研制出Lair-LiDAR小型机载激光雷达系统，飞行高度在50m～1500m，并在2012年完成多次外场飞行试验[19]。2015年，李孟麟等[20]采用四棱镜作为扫描器件、以光纤激光器作为光源研制出小型新型机载激光雷达系统，300m左右的高度时，精度能达到18mm。2017年，中科院李铭等[21]研制出基于光纤光化学和单光子探测技术的多波束光子计数激光雷达，在不影响系统采样率的情况下有效降低了系统的重量、体积和功率，在1500m左右飞行高度时，距离精度优于0.35m。同年，中科院上海光机所的贺岩等[22]研制出Mapper5000机载激光三维成像系统并在南海地域完成测试。该系统以双波长激光三维成像的原理能够满足陆地和海洋测绘的需要，对陆地成像分辨率0.25m，对海洋成像分辨率1.1m，对海洋最大成像深度可达51m。2018年，中科院光电研究院的李伟等[23]设计出一套无人机载激光雷达系统，专门用来解决复杂条件下的电力线巡检工作，该系统质量仅4kg，功耗13W，成像距离200m，距离分辨率4cm。

总体来说机载激光雷达的发展趋势是体积质量越来越小，功耗越来越低，精度越来越高，成本越来越低。

2.3 机载激光雷达的行业应用

随着无人机载激光雷达技术的发展与成熟，其在军用和民用领域均有广泛应用。

2.3.1 军事领域应用

1964年美国成功研制出激光跟踪测量雷达用在导弹靶场中，此后英、法、德等发达国家便相继研制出各自的军用激光雷达系统，并广泛应用于导弹制导、侦察探测、航空航天、避障防撞、水域探测、化学战剂探测等军事领域当中[24～25]。

在导弹寻的制导方面，激光雷达对辐射的干扰小、提供图像分辨率高，能够精确识别目标。例如，美军研制的“宝石路”激光雷达精确制导武器，其对目标的命中率性能高出普通导弹约40%，曾在越南战争中崭露头角。美军还正在研制能够用于子弹药的小型激光雷达寻的器，可以有效攻击轻型装甲目标，准备将全息衍射光学系统技术替代原有的普通光学系统。在侦察探测方面，激光雷达非常适合作为一种低空探测手段，精确采集目标的参数信息，从而快速作出反应。在对战场的侦察感知上也能发挥巨大作用，以美国DARPA为主研发的高空雷达实验系统（HALOE）在阿富汗部署，相继完成了一系列任务，其能够在90天内对阿富汗国土一半面积绘制出三维地形图，精度在分米级[26]。在对化学战剂探测方面，俄军研制出KDKhr-1N地面激光毒气报警系统，可高时效、远距离测量出毒剂气溶胶云的距离、高度、规模、坐标点等信息，利用光学定位原理记录激光辐射量。德军也有先进的VTB-1遥测化学战剂传感器，核心部件CO2激光器能在9μm～11μm间的40个频率中调节，能安全准确地遥测化学战剂。在装备质检探伤方面，可以利用激光雷达扫描装备，扫描结果可以量化为照度、亮度、景深、入射孔径、视场角等光谱信息，通过光学分析并进行评估，可以有效检验装备的内外部缺陷。同时，利用三维特征实时变化和多时相性边界等对比技术，可以对武器装备的周期性变形情况和毁伤程度情况进行评估检测。

2.3.2 民用领域应用

随着机载激光雷达技术的成熟、成本的控制，近二十来年在民用领域的地质测绘、农林业调查、大气监测、电力巡线、灾害防治、油气巡检等方面应用较广[27～30]。

在测绘行业应用方面，无人机激光雷达遥感技术在制作大比例尺地图、地理国情检测、构建三维模型、应急测绘等方面有着规模化应用[31]。通过采集到的三维点云数据，能够制作出数字正射影像（DOM）、数字高程模型（DEM）、数字线划图（DLG）等地图产品。无人机激光雷达测量技术已经在城市三维场景重建中开始大量应用，比起传统航测技术而言，该方式能显著改善测量精度，在森林植被覆盖的山地区域，优势更为明显。

在石油与天然气行业，机载激光雷达技术能够应用于油品勘探、开采、炼制及输送的各个环节。尤其是在油料管道的勘察选线、巡线检修及泄漏检测方面。例如，在勘察选线方面，在尼日尔阿加德姆原油管道建设项目当中，采用机载激光雷达技术仅利用18天，就完成了460km长度、400m宽度的带型地形图测量和选线工作；在我国西气东输中的五线隧道控制性管道工程建设中，也采用了机载激光雷达的勘察方式，解决了因该项目地处天山山脉，交通不便，地质条件差等困难，顺利完成勘察选线[32]。在油气管道监测方面，美空军研究实验室研制出差分激光雷达管道巡线系统，用于长输管线的泄漏监测，能够远程监控和定位，油气管道泄漏的甲烷、乙烷等烃类物质，能够以大气浓度的形式在该系统地图上绘制出来[33]。

3 在作战油料保障中的应用探讨

3.1 需求分析

未来作战油料保障量大、保障方向、对象多，涉及储存、运输、加注等多个环节，需要保障人员快速勘测保障线路、规划保障路径、准确进行设计计算、科学部署保障力量。例如，展开一条野战输油管线，将油料从战役后方输向战役前方，可能需要动用各种装备器材数十万台（套），作业人员成百上千。管线战场部署、配置的科学与否，泵站数量的多少、开设位置的优劣，都直接影响保障效能。因此，战场油料要“供得快、保的好”应首先解决好以下关键问题。

一是油料保障分队战场态势感知问题，尤其是对地形地物和用油装备情况的感知。基层后勤部队受保密规定制约，在平时的演训演习甚至是实际作战情况下很难得到作战情报部门的高精度作战地图或电子沙盘等态势资料，对战场情况感知滞后，不掌握保障地域地理条件、不掌握保障对象位置和数量，就很难做到优质高效保障。这使得后勤部队迫切地需要一种技术手段，使其指挥员快速掌握保障态势并定下保障决心。

二是油料补给方案拟制效率问题。受制于战场信息获取手段单一、低效，以往拟定方案人工计算多、时间长、准确性低。需要一种技术手段，快速获取战场保障信息，快速形成可直接计算、操作的地图产品。能够辅助指挥员展开图中量测、定位装备、预测油料保障量等操作，减少复杂人工计算，提升效率。

三是油料保障智能决策能力建设问题。当前油料保障装备的自主信息感知和自主保障分析能力还有所不足，还没有较为成熟的保障方案智能辅助决策系统。这使得保障中对油料保障力量部署方案的优劣评估不足、对保障路径分析研判不够，极易出现“走一步算一步”或任务进行当中临时更改方案的情况。

要想提升战场油料保障水平，需要首先从战场信息及数据的采集端入手，采用前沿技术手段，研制配备新型装备。创新性地将无人机载激光雷达技术运用到战场油料保障中来，恰好能够有效解决一系列问题，提升指挥员的指挥决策能力。

3.2 可行性分析

根据未来作战油料保障的特点和需求，将现代机载激光雷达技术应用到战场油料保障，具有以下显著优势。

一是机载激光雷达信息采集速度快，全天候，信息获取量大。无人机作为平台不需要专门培养飞行员，载体成本可控，在大多数场景下能够直接起飞并执行任务；激光雷达因其特有的性质，相较于数字摄影测量、倾斜摄影测量等方式，对地形及目标的扫描速度更快，后期处理数据的时间更短；且激光雷达不受光照强度影响，昼间夜间均可使用。

二是机载激光雷达能够直接获取三维数据，且精度高。目前激光雷达系统在1km以内的飞行高度下，数据精度能控制在10cm以内，远超其他无人机测量方式；采集到包含大量战场地理信息的点云数据，通过处理加工，可快速生成DOM（数字正射图）、DEM（数字高程模型）、DSM（数字地表模型）、DLG（数字线划地图）等三维地图产品；三维地图相较于传统二维地图，能够反馈更多深度信息，通过图形处理算法，能使计算机直接识别目标，大大减少对人工识别的需求；并且能够直接在图中反映各点高程、坐标及两点间距离等信息。

三是机载激光雷达对隐蔽目标能够直接探测。激光能够穿过植物和较薄建筑物形成多次回波，在密林山区可以构建去除植被的地形模型；能够清楚识别出在大树或伪装下的隐蔽目标，十分利于对遮蔽物下装备的侦察探测。

四是机载激光雷达数据有利于二次处理分析。激光雷达采集的点云数据，能够忽略色彩伪装，直接对目标空间结构进行分析，探测利用色彩进行伪装的目标；还能够根据激光反射强度的不同，对金属、石土、液体等物质进行分析辨别；另外，基于所感知到的地形、地貌、地物以及用油装备的规模、位置等信息，可在图中对各类保障装备布设位置预先谋划，对保障方案进行推演。

现代战场瞬息万变，传统信息感知手段难以满足战场需求，机载激光雷达技术凭借其明显优势，将对信息获取质量和时效带来质的提高，为保障方案的分析决策提供有力支撑。

3.3 需进一步解决的问题

用好激光雷达技术，能够极大提升后勤保障智能化水平，对后勤现代化进程产生积极影响。关于机载激光雷达技术在战场油料保障中的应用提出以下四点发展建议。

一是搭建适用于战场环境的无人机平台。无人机平台的选用，将很大程度决定着激光雷达系统的效能发挥。要实现精准数据采集，要求无人机平台飞行稳定，有较强的抗风抗干扰能力；对战场大空间的数据采集，要求无人机作业半径大、续航能力出众、与地面终端通信能力强；要能适应各种复杂地形条件，兼顾速度、悬停、稳定等多种性能，垂直起降（VTOL）无人机是一种很好地选择。

二是研发以激光雷达为主、多传感器融合的载荷系统。将激光与微波结合，微波的大发散角可以提升载荷的搜索能力；结合视觉相机，可对激光点云数据着色，使目标成像更立体真实；结合红外成像仪，能感知目标温度信息，便于快速发现特定目标。多传感器相结合能使采集到的数据包含更多更深的信息，达到事半功倍效果。

三是开发基于点云数据的油料保障方案辅助决策系统。基于构建的三维战场地形图，可对油料保障过程进行模拟，对各型油料保障装备进行筹划，实时推演人员装备部署情况；能够对输油管线的走向、长度、所需附件的数量等内容进行规划、计算，对无人化装备前送油料路径进行分析，有利于提前筹措保障装备、打通保障链路；可以对管线进行智能识别，尤其是识别遮蔽物下的管线，有利于展开保障链路的巡查及漏油检测。

四是研究基于点云数据的目标识别分类技术。探索更加先进的算法，对激光雷达点云数据的精准分类、识别、检测，能使计算机代替人工进行目标精准识别，减轻操作手的工作量，节约人力、提升效率。精准识别装备的数量规模，结合油料消耗标准，有利于计算战场油料需求量；精准识别定位用油装备的位置，能够对特定装备展开油料精准投放补给。

4 结语

“知己知彼，百战不殆”，对未知战场环境的有效侦察感知，能够使指挥员提早掌握战场环境，预先摆兵布阵，实现“兵马未动粮草先行”的决策部署。机载激光雷达技术凭借其先天优势，能做到高时效、高精度、全方位的战场态势感知，适应未来战场条件复杂多变的特点，将其应用于油料保障中来，可行性强，能够解决后勤部队面临的实际困难，提升后勤保障信息化、智能化水平。在具体装备的研制过程中，还需要对激光雷达系统基础性能持续升级，适当结合其他被动成像方式，提升载荷整体性能，并使之能够装载在更加小型、稳定的无人机平台上；同时进一步提升对激光雷达点云数据的处理能力，发展其自行“阅读”战场和目标的能力；进一步开发基于采集数据的辅助决策系统，提升保障方案的科学性，为战场油料保障指挥决策保驾护航。总之，展开此类研究对后勤现代化建设有一定的推动作用。