小型無人機載橫滾-俯仰結構光電載荷前向對地掃描技術研究

袁屹杰，張衛國，王 譚，程勇棟，王 毅，王 超，伊興國

（西安應用光學研究所，陜西 西安 710065）

引言

光電信息偵察領域中，由小型無人機平臺搭載光電載荷構成的偵察系統，具備對指定區域進行小范圍搜索或定點持續監控能力，在近期國際沖突熱點中起到了越來越重要的作用[1]。隨著新應用對信息感知的全面性、實時性要求越來越迫切，讓小型無人機偵察系統具備類似大型偵察平臺對地寬區域掃描的能力[2]，可以極大地提升小型無人機偵察系統的綜合效能，為拓展可執行任務的樣式創造有利條件。

應用于小型無人機偵察系統的兩軸光電載荷一般可分為方位-俯仰構型與橫滾-俯仰構型兩種結構。方位-俯仰結構光電載荷可方便地實現前向對地寬區域掃描搜索[3-4]，但載荷掛載時突出機身包絡的結構部分容易破壞平臺氣動外形，增加飛行阻力[5]。橫滾-俯仰結構光電載荷能方便地實現與平臺外形整合，氣動干擾較小，主要應用于高空、高速平臺，實現對平臺下方或側下方區域掃描搜索[6-10]。對于有較長航時要求的小型無人機偵察平臺，若采用橫滾-俯仰結構光電載荷并以低空飛行狀態實現前向對地寬區域掃描（簡稱為寬區域掃描），無疑是高效且安全的技術方案[11]，但目前還鮮有對橫滾-俯仰結構光電載荷寬區域掃描的研究。

針對上述背景，本文提出一種橫滾-俯仰結構光電載荷實現寬區域掃描的方案，建立掃描搜索數學模型，給出具備在線掃描幅寬最優化能力的控制參數獲取方法，為實現小型無人機平臺光電載荷寬區域搜索提供理論基礎。

1 掃描偵察方案

小型無人機偵察系統做低空飛行，實施寬區域掃描偵察時，橫滾-俯仰結構光電載荷需工作于小俯仰角、橫滾掃描狀態。俯仰未作補償狀態下的橫滾掃描視軸足點（視軸與地面交點）的軌跡線如圖1 中的掃描軌跡1。從圖1 中可以看出，隨著橫滾角偏離中間位置越大，視距急劇增大，在光電載荷最遠作用距離限制下，將嚴重限制載荷有效掃描幅寬。相應的解決方案是，橫滾掃描的同時俯仰進行動態補償，使掃描軌跡線垂直于航跡地面投影線，如圖1 中的掃描軌跡2，可以在光電載荷最遠作用距離受限條件下，充分拓寬掃描范圍。

圖1 橫滾-俯仰結構光電載荷寬區域掃描示意圖Fig.1 Wide-area scanning diagram of roll-pitch structure electro-optic payload (EO)

光電掃描有多種實現方式[12-15]，鑒于小型平臺所搭載的光電載荷尺寸與成本因素，可采用步進凝視方式進行掃描搜索。進行寬區域掃描時，光電載荷首先依據平臺參數以及限定的內部參數，生成掃描控制參數與掃描控制坐標點，然后光電載荷逐一調轉，使光軸指向預定的掃描控制坐標點。每步進調轉到位后，視軸保持穩定一段時間，以獲得清晰圖像，然后再調轉至下一掃描控制坐標點，如此循環，直至完成預定搜索。

1.1 掃描方案建模

寬區域掃描應用中，提升光電載荷掃描幅寬是技術方案的關鍵，需要研究實現掃描幅寬最優化的控制參數獲取方法。

為便于建模，做以下設定：光電載荷執行寬區域掃描時,飛行平臺作恒高、勻速直線運動；同一掃描排中不考慮平臺位置變化導致的視距變化；光電載荷橫滾角運動范圍關于中性面（即過平臺的垂線與航跡地面投影線構成的平面）對稱，如圖2（a）所示；光電載荷視場兩維度視角差別較小，掃描參數優化時視場角統一采用控制視場 θ進行表征、計算。

圖2 光電載荷掃描數學建模示意圖Fig.2 Schematic diagram of EO scanning mathematical modeling

相關參數幾何關系如圖2 所示。模型數學表達式為

式中：Dp為單排掃描時間對應的平臺航向位移；h、v分別為平臺的飛行高度與速度；t為掃描步進周期；n為單排步進數；Sight_L為單排掃描中最大視距；βmax為單排掃描中最大橫滾角；αmax為最大橫滾角對應的俯仰角；Lp為控制視場 θ在掃描極限面（由O、Pmax、SR構成的平面）上形成的航向對地覆蓋距離；Lop為前后兩掃描排的控制視場 θ在掃描極限面上形成的航向對地重疊覆蓋距離；Aop為航向角重疊率；Bop為橫向角重疊率；φmax為理想最大掃描視軸夾角；Scan_W為掃描幅寬。

1.2 掃描參數優化

選擇 αmax、βmax和n作 為掃描控制參數，同時引入視距限S ight_Llim，對掃描過程中目標分辨能力進行約束。通過分析掃描控制參數與關聯參數的內在關系，可知掃描幅寬最優時需要滿足：視距取不大于且最接近視距限的數值，同時n使航向角重疊率、橫向角重疊率均大于重疊率閾值且取值最小。由此不難看出，n可以作為非獨立參數，其屬性為：在滿足視距限以及航向角重疊率限制時，n取滿足橫向角重疊率限制且數值最小的整數，數學表達式為

式中：C_OP為重疊率閾值，Ceil()為取不小于括號內數值的整數。

在平臺飛行高度與視距限的作用下，可使用φmax替代掃描幅寬作為優化目標。參數優化數學模型為

式中：αt、αl與 βt、βl分別是 αmax、βmax的上界限和下界限。（3）式是一個兩參數的單目標尋優問題，對于嵌入式計算平臺，可采用帶限制條件的參數域采樣遍歷計算法得到最優解。具體算法如下：

第一步，橫滾角設為下限值；

第二步，俯仰角設為下限值；

第三步，計算視距，大于S ight_Llim則跳至第五步；

第四步，計算n及相應的Aop，若Aop在對應的橫滾角下第一次小于C_OP，則記錄上一參數組對應的數據，然后跳至第六步；

第五步，俯仰角累加俯仰步進角，若俯仰角未超過上限值，則跳至第三步；

第六步，橫滾角累加橫滾步進角，若橫滾角未超過上限值，則跳至第二步；

第七步，在記錄數據中尋找 φmax數值最大的參數組，該參數組即為最優參數。

2 最大掃描幅寬參數分析

最大掃描幅寬（簡稱掃描幅寬）是多參數綜合影響的參數，通過分析掃描幅寬與對應的各參數間相互關系，可以驗證參數優化方法的合理性，同時揭示掃描最優化時的參數選擇規律。

掃描幅寬影響因素中與光電載荷相關的參數有：掃描步進周期、視距限及重疊率閾值；與平臺相關的參數有：飛行高度、飛行速度。與光電載荷相關的參數需要依據設備性能、應用環境等進行匹配，本文僅分析平臺參數對掃描幅寬的影響。

平臺參數對掃描幅寬的影響采用表1 所示參數進行分析。分析中 αmax、βmax的上、下界限均分別為90°、10°，結果如圖3 所示。由圖3 可知，平臺處于同一高度時，隨著速度增加，掃描幅寬呈現階梯狀降低趨勢。選取圖3 中高度500 m 曲線上的點Ⅰ～點Ⅶ數據進行參數相關性分析，對應參數見表2 中序號Ⅰ～Ⅶ。其中點Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ處于掃描幅寬的同一“平臺”區間，對應的掃描幅寬相等，且由點Ⅰ～點Ⅲ，隨著速度增加，航向角重疊率Aop逐漸減小，而橫向角重疊率Bop則始終等于C_OP；當由點Ⅲ處進一步增加速度，此時Aop已是極限值，需要縮小 αmax、βmax以維持Aop不小于C_OP，此時n不變，致使Bop增大，見點Ⅳ數據，掃描幅寬進入“下行”區間；當速度進一步增大，αmax、βmax繼續縮小，保持Aop等于C_OP，且使Bop增大至較大數值，見點Ⅴ數據；若速度繼續增大，此時單排少掃一個步進也仍然可以確保Bop不小于C_OP，見點Ⅵ數據，此時幅寬進入下一“平臺”區間，見點Ⅶ數據。

表1 光電掃描仿真參數Table 1 EO scanning simulation parameters

表2 寬區域掃描參數優化算例表Table 2 Example data of wide-area scanning parameters optimization

圖3 平臺參數與掃描幅寬相關性示意圖Fig.3 Schematic diagram of correlation between platform parameters and maximum scanning width

同時注意到，在7 個數據點中，Aop與Bop至少有一個數據與C_OP相等，特別是點Ⅲ的Aop與Bop同時等于C_OP。點Ⅲ數據對應的掃描參數無疑是最優的，其他點的最優化屬性可代表性地選取位于“平臺”區間的點Ⅱ以及位于“下行”區間的點Ⅴ進行分析。對于點Ⅱ，數據中Bop與C_OP相等，增大αmax和 βmax，可增大 φmax，若n保持不變時，將導致Bop小于C_OP，若增大n，由于富余的航向重疊量較小，將導致Lop成為負值，出現航向漏掃，顯然點Ⅱ對應的數據是最優的。對于點Ⅴ，數據中Aop與C_OP相等，增大 αmax和 βmax，可增大 φmax，若n保持不變時，將導致Aop小于C_OP，若增大n，將使Lop成為負值，出現航向漏掃，因此點Ⅴ對應的數據也是最優的。通過類似方法分析可知，優化算法獲得的數據均是最佳掃描狀態，優化方法是合理的。

此外，對比圖3 中高度500 m 與高度700 m 數據還可知，平臺飛行高度越高，相同速度下掃描幅寬越窄。此外，平臺處于不同高度時可以獲得相近的掃描幅寬，高度較高時對應的速度較小。

3 掃描方案測試及分析

3.1 實時性測試

基于海思HI3519A 平臺進行參數尋優實時性測試，設定橫滾、俯仰角參數域均為10°～90°，兩軸向角度步進幅值為0.1°。掃描控制參數尋優計算耗時小于40 ms，滿足實時響應需求。

在實際應用中，還可以依據情況合理設置參數域與角度步進幅值，以優化實時性指標。

3.2 掃描仿真測試

取表2 中序號Ⅲ數據進行掃描仿真。生成掃描控制點坐標的方法本文不做展開，為簡化計算，掃描排中位于最外側兩端點之間的控制點坐標采用距離等分法獲得。

寬區域掃描仿真結果如圖4 所示。由圖4 可知，在平臺飛行狀態穩定狀態下，方案較好地實現了掃描區域連續覆蓋。掃描還存在以下特點：單排掃描中，掃描點橫向偏離平臺航跡線的單視場投影區發生旋轉并存在未覆蓋的三角空白區，且偏離越遠，旋轉現象越顯著，三角空白區范圍越大；此外，橫向、航向視場重疊性并不是固定的，橫向偏離平臺航跡線越遠，同排間相鄰視場重疊部分逐漸減小，排間航向對應的相鄰視場重疊部分也逐漸減小。

圖4 寬區域掃描仿真圖Fig.4 Simulation diagram of wide-area scanning

3.3 掃描掛飛測試

采用直升機平臺進行掛飛測試，測試平臺及測試過程中的平臺參數如圖5 所示。由圖5 可知，直升機平臺的高度、姿態以及速度狀態保持得并不好。

圖5 寬區域掃描測試平臺及飛行參數Fig.5 Test platform of wide-area scanning and flight parameters

選取圖5 中平臺飛行參數對應時刻記錄的光電載荷掃描參數，復盤光電載荷寬區域掃描態勢，結果如圖6 所示。由圖6 可知，實際掃描視軸足點與掃描控制點吻合得較好，個別位置存在一定偏差量以及“漏掃點”現象；除掃描邊緣部分存在局部未覆蓋區與“漏掃點”外，其他區域實現了掃描全覆蓋。

圖6 光電載荷寬區域掃描飛行測試圖Fig.6 Flight test diagram of EO wide-area scanning

結合平臺飛行狀態，分析光電掃描復盤數據，可以形成以下判斷：

1）平臺擾動較大情況下，光電載荷依據地理坐標仍較好地實現了區域掃描。

2）實際掃描視軸足點與控制點位置存在偏差量及“漏掃點”，與掃描控制算法中采用的到位判斷邏輯有關，判據是角偏差小于閾值且維持一定時間。閾值量本身即會引入一定偏差，而平臺擾動過于劇烈，則會使判斷邏輯中的時間條件無法滿足，導致掃描步進判斷為“未到位”，即產生“漏掃點”現象。

3）掃描邊緣存在局部未覆蓋區與掃描邊緣重疊率減小有關，當平臺擾動較大時容易產生相鄰視場不重疊的情況。

針對序號2）問題，可以通過采取隔振措施弱化擾動影響，以及優化到位判斷邏輯予以解決。針對序號3）問題，在平臺擾動無法消除的情況下，可采取將兩端最外側掃描控制點之間的區域作為有效覆蓋范圍，或通過增大重疊率閾值補償擾動予以解決。

4 結論

橫滾-俯仰結構光電載荷采用橫滾步進掃描和俯仰動態補償的方式，可以較好地實現前向對地寬區域掃描。提出的掃描參數優化方法可以較方便地獲得掃描控制參數且實時性較好，光電載荷調轉光軸依次指向地理掃描控制點的掃描方法，具有較好的平臺擾動適應性。

此外，掃描過程中視場重疊率是動態變化的，且越靠近掃描邊緣，相鄰視場間重疊范圍越小。計算中重疊率閾值取值需在確保掃描效率的同時，避免動態擾動導致的掃描邊緣出現漏掃情況。