引言
60年代，英国发明了“菲涅尔”透镜光学助降装置，其原理是在空中提供一个光的下滑坡面，从而帮助飞行员判断方位，修正误差。美国人于1960年在“富兰克林”号航母首次正式安装了该光学助降装置。但是这种方法过于依赖飞行塔台指挥员以及飞行员的经验操作，虽然后期进行了改进，提出了例如 “艾科尔斯”（ICOLS）光学助降改进装置等助降方式，依然难以解决人力资源耗费巨大，人为粗大误差时常发生等问题。
为解决上述问题，本文提出并研制了一种用于高精度测速测距的光学助降装置，在对飞机进行自动识别的同时，对飞机进行跟踪测量。可以在极大程度上的降低人力资源损耗以及人为失误带来的影响。
结构设计
本文提出的用于高精度测速测距的光学助降装置的结构示意图如图1所示。包括：测距装置，伺服控制装置以及监测控制装置。
图1 光学助降装置结构示意图
通过测距装置采集图像以及某一时刻的距离信息通过RS422串口传出给监测控制装置，经过计算处理得到该时刻的速度信息，同时将脱靶量信息通过RS422串口传送给伺服控制装置从而驱使伺服电机运动带动测距装置在方位以及俯仰方向上转动，以实现对动态目标进行跟踪的效果。
测距装置以及伺服控制系统的设计
3.1 测距装置
测距装置主要由激光器，相机，底座以及外壳组成。激光器可作用距离为50 m~4.5 km，分辨率为0.25 m；电动变倍镜头可观测40m~5km范围内的目标，观测角度为30o，具有较大观测范围，具有可观测距离远成像清晰等特点。
伺服控制系统设计
伺服控制系统的结构包括：伺服控制电路，电机驱动电路，内部时同电路以及电源。伺服控制电路板从监测控制装置中得到脱靶量或者引导信息后，向电机驱动电路板发送PWM波信号，该信号经过电机驱动电路板调制与放大后，传输给伺服电机，从而实现伺服电机的驱动。
当目标物体进入跟踪范围内时，监测控制装置将脱靶量传送给伺服控制装置。伺服控制子系统对接收到的脱靶量进行位置回路和速度回路的调节运算后产生PWM波驱动信号，从而驱动伺服电机运动。在对目标进行跟踪时由于脱靶量的滞后，通常在需要的情况下还会在速度回路中加入速度滞后补偿甚至加速度滞后补偿环节，以弥补脱靶量滞后带来的影响，以提高跟踪精度。
图像处理算法的设计
4.1 硬件设计
为满足图像处理和显示要求，在对监测控制子系统进行设计时，以服务器为工作平台，使用图像采集卡对输入图像数据进行采集；采用GPU对图像进行处理加速；多核CPU为处理器。
图像处理方法的设计
图像处理方法主要包括：动态目标捕获检测算法，云背景下目标检测算法以及去雾增强算法等。通过上述算法对图象进行调制处理以达到快速捕捉以及增强外界环境适应能力的效果。
4.2.1 动态目标捕获检测算法
捕获动态目标通常是在目标进入监测视野后进行，此时要求能快速定位目标。本文采用基于视觉注意机制的目标检测方法，通过模拟人眼的工作机理精准地分割出捕获目标。
4.2.2 云背景下目标检测算法
云背景下，即目标飞行物在空中飞行时，时而被遮挡、时而显现的背景条件，此时目标检测要求就是目标被遮挡时不误检、目标显现能尽快检测出来。
云背景下目标检测是基于目标跟踪过程中，尽管背景在视场中相对运动，但由于探测器帧频较高，一般相同的背景能在视场内连续停留几帧。因此，采用背景预匹配的方式，根据目标的运动状态估计值，可以在当前帧图像内预测下一帧目标所在的背景区域。
试验和结论
5.1 飞行试验
为验证本文提出的用于高精度测速测距的光学助降装置的实际应用效果，本文使用无人机进行飞行实验验证，并于机载GPS进行分析比对，其距离结果如图2所示。
图2 GPS距离对比图：(a)第一次飞行；(b) 第二次飞行；(c) 第三次飞行。
由图2可知本装置与GPS的三次飞行实验的距离变化趋势基本相同，经过对比分析，距离的最大差值的绝对值分别为3.333957 m，4.436782 m和2.2 m，从而证明本文所提出的基于图像处理方法的光学助降系统的动态测距精度很高。
将对距离进行差分结算得到速度结果与GPS进行分析比对，本系统与GPS的三次飞行实验的速度变化趋势基本相同，速度的最大差值的绝对值分别为0.81229 m/s，1.10679 m/s和0.45760 m/s，从而证明本文所提出的用于高精度测速测距的光学助降装置具有很高的动态测速精度。
5.2结论
本文提出并研制了一种用于高精度测速测距的光学助降装置，在对飞机进行自动识别的同时，对飞机进行跟踪测量。在对动态目标进行跟踪时，动态目标的识别时刻与跟踪稳定时刻的时间差值小于1.5s；通过三次对无人机进行跟踪得到同GPS距离数据相比较最大差值的绝对值为4.432m，小于5m。根据测试结果，本设备可用于战斗机、民用客机或私人飞机的降落和训练。
参考文献
[1]张凯伦, 韩维, 陈志刚. 基于光学引导下飞行员操纵着舰建模[J]. 海军航空工程学院学报, 2018, 33(4):395-400.
[2]贾绍文, 江志东, 霍立平,等. 基于无人机平台的陆基光学助降装置动态标校系统[J]. 兵工自动化, 2020, 039(004):8-11,29.
[3]李敏. 光学助降引导系统在舰船上的发展与应用[J]. 科技创新与应用, 2016, 000(015):59-60.
