無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)直升機(jī)降落駕駛輔助系統(tǒng)

黃 鑫，唐冬冬，程路敏，趙太飛，2

（1．西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048）2.光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（電子科技大學(xué)），四川 成都　610054）

無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)直升機(jī)降落駕駛輔助系統(tǒng)

黃 鑫1，唐冬冬1，程路敏1，趙太飛1，2

（1．西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048）2.光纖傳感與通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（電子科技大學(xué)），四川 成都610054）

為了解決野外行動(dòng)、城市突發(fā)事件、地震災(zāi)害、水災(zāi)火災(zāi)等緊急情況下直升機(jī)應(yīng)急降落的安全性問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)的直升機(jī)降落駕駛輔助系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了全天候、寬視場(chǎng)、抗干擾能力強(qiáng)的實(shí)時(shí)圖像傳輸，為直升機(jī)降落提供了精準(zhǔn)的環(huán)境信息。同時(shí)對(duì)直升機(jī)起降中水平通信和垂直通信進(jìn)行了仿真分析，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了實(shí)地測(cè)試，驗(yàn)證了本設(shè)計(jì)具有較高的實(shí)用性與創(chuàng)新型，提高了直升機(jī)在復(fù)雜環(huán)境下緊急降落的安全性與穩(wěn)定性。

紫外光通信；LOS鏈路；直升機(jī)助降；信標(biāo)引導(dǎo)

隨著4000米以下低空的開(kāi)放和越來(lái)越多的緊急事件或自然災(zāi)害的發(fā)生，直升機(jī)在相應(yīng)的救援行動(dòng)中充分了發(fā)揮其靈活機(jī)動(dòng)的特點(diǎn)，體現(xiàn)了越來(lái)越高的重要性，然而直升機(jī)的起降受降落場(chǎng)地限制較大，現(xiàn)有的直升機(jī)助降系統(tǒng)一般采用可見(jiàn)光標(biāo)和旗語(yǔ)引導(dǎo)［1］，這種方式安全性能低且實(shí)際效率低。因此，無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)直升機(jī)降落駕駛輔助系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有重要意義。

無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)直升機(jī)降落駕駛輔助系統(tǒng)是利用紫外光散射特性［2-3］進(jìn)行復(fù)雜環(huán)境下全天候通信的一種直升機(jī)應(yīng)急安全保障手段，能滿(mǎn)足各種復(fù)雜場(chǎng)合下救援直升機(jī)應(yīng)急輔助起降的需求。本設(shè)計(jì)針對(duì)復(fù)雜地形、天氣和電磁環(huán)境中陸地、樓頂、船載等情景下直升機(jī)起降存在的安全問(wèn)題，研究基于無(wú)線(xiàn)紫外光通信的直升機(jī)輔助起降技術(shù)［4］來(lái)減少或消除安全隱患。同時(shí)，無(wú)線(xiàn)紫外光通信還可作為一種軍事保密通信手段廣泛應(yīng)用于公安、武警、交通運(yùn)輸、海陸空三軍，對(duì)國(guó)防現(xiàn)代化建設(shè)具有特殊的使用價(jià)值和實(shí)際意義。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)線(xiàn)紫外光通信技術(shù)的研究還主要集中于通信理論研究，而對(duì)紫外光通信在直升機(jī)應(yīng)急輔助起降中的引導(dǎo)技術(shù)研究較少。利用無(wú)線(xiàn)紫外光助降技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下高可靠性的直升機(jī)全天候起降，受天氣影響小，節(jié)約人力資源，提高直升機(jī)起降的安全性。因此本設(shè)計(jì)具有廣闊的發(fā)展前景、應(yīng)用空間和重要的研究?jī)r(jià)值。

紫外光波段［5］通常劃分為 315～400nm（Ultraviolet Light A，UVA）、280～315nm（Ultraviolet Light B，UVB）和 10～280nm （Ultraviolet Light C，UVC）。在UVC波段中波長(zhǎng)為200～280nm的太陽(yáng)輻射被大氣平流程的臭氧分子強(qiáng)烈吸收，使得其在近地太陽(yáng)光譜中幾乎沒(méi)有該紫外光波段，所以稱(chēng)其日盲區(qū)［6］。利用日盲紫外光進(jìn)行通信有以下優(yōu)勢(shì)：抗干擾能力強(qiáng)、全天候非視距通信、便攜式、寬視場(chǎng)、保密通信能力強(qiáng)以及適用于特殊的通信場(chǎng)合［7］。因此本設(shè)計(jì)選擇日盲段紫外光源進(jìn)行通信。

1無(wú)線(xiàn)紫外光引導(dǎo)的直升機(jī)助降系統(tǒng)

1.1助降系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用日盲波段紫外光LED［8-9］作為地面信標(biāo)發(fā)送端，發(fā)送經(jīng)過(guò)編碼之后的地面圖像信息，通過(guò)機(jī)載接收端接收紫外光信號(hào)，建立空地?zé)o線(xiàn)紫外光通信，并引導(dǎo)駕駛員操縱直升機(jī)逐漸抵達(dá)降落點(diǎn)上空，在幫助駕駛員獲取地面數(shù)據(jù)的同時(shí)以便駕駛員準(zhǔn)確降落，系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2系統(tǒng)硬件組成

1.2.1地面紫外光信標(biāo)發(fā)送模塊

采用UTOP2260型號(hào)的紫外光LED組成的光源陣列作為地面信標(biāo)發(fā)射源，其峰值波長(zhǎng)為265nm，處于日盲波段（200nm-280nm），符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

地面紫外光LED陣列的主要作用是對(duì)經(jīng)過(guò)編碼之后的圖像數(shù)據(jù)信息對(duì)空進(jìn)行廣播，等待機(jī)載接收端接收。同時(shí)，可以對(duì)紫外光源的波長(zhǎng)，頻率和角度進(jìn)行特定的調(diào)節(jié)來(lái)傳輸信息。其典型功率位0.3mW，傳播過(guò)程中以日盲紫外光為載波，實(shí)現(xiàn)了近距離、高速率、抗干擾的數(shù)據(jù)傳輸以及效果良好的圖像通信。

1.2.2圖像數(shù)據(jù)處理模塊

采用無(wú)線(xiàn)攝像頭對(duì)降落場(chǎng)地環(huán)境進(jìn)行圖像信息的采集，再交由FPGA進(jìn)行編碼，形成適合紫外光通信的數(shù)據(jù)幀，最后交給地面發(fā)送模塊對(duì)空進(jìn)行廣播。

根據(jù)無(wú)線(xiàn)紫外光傳輸特性以及自由空間光通信信道［10］的特點(diǎn)，對(duì)數(shù)據(jù)鏈路層數(shù)據(jù)幀格式進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，為了提高紫外光數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的幀同步速率，采用經(jīng)過(guò)插幀處理的封幀格式［11］，在數(shù)據(jù)區(qū)前加上固定的 2字節(jié)幀同步頭 0xFF 0xD8，以0xFF 0xD9作為幀尾，中間依次有長(zhǎng)度位、數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)位。對(duì)長(zhǎng)度位、數(shù)據(jù)段和校驗(yàn)位的數(shù)據(jù)進(jìn)行插值處理，即如果數(shù)據(jù)中（除了幀頭和幀尾）出現(xiàn)0xFF，則對(duì)其后面插入一個(gè)0x00，這樣處理過(guò)的視頻流數(shù)據(jù)中0xFF后面最少接一個(gè)0x00。幀中0xFF 0xD8和0xFF 0xD9只可能作為幀頭和幀尾出現(xiàn)，由幀頭和幀尾實(shí)現(xiàn)幀同步。在接收端只需判斷收到的數(shù)據(jù)字符，除去標(biāo)志位外，將接收到的視頻流數(shù)據(jù)中0xFF后面的0x00剔除即可還原視頻流數(shù)據(jù)。只有當(dāng)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度對(duì)比正確以及檢驗(yàn)也無(wú)誤時(shí)才能說(shuō)明數(shù)據(jù)無(wú)誤，并將收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼顯示圖片。這種方法處理過(guò)的幀，一般不會(huì)出現(xiàn)假同步，比較容易實(shí)現(xiàn)幀同步。幀格式封裝如圖2所示。

圖2　插幀格式的幀封裝

1.2.3機(jī)載紫外光接收端

采用R7154型光電倍增管，對(duì)地面信標(biāo)發(fā)送的特殊幀格式的紫外光信號(hào)進(jìn)行接收，接收到的紫外光信號(hào)經(jīng)過(guò)濾光片過(guò)濾后，成為可信的信息。

接收端通過(guò)FPGA對(duì)經(jīng)過(guò)過(guò)濾后的數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解碼譯碼，通過(guò)圖像處理算法將數(shù)據(jù)幀中的圖像信息提取出來(lái)，并送至機(jī)載顯示屏進(jìn)行顯示，輔助直升機(jī)駕駛員進(jìn)行降落。

機(jī)載提示燈陣列主要用來(lái)指示飛機(jī)與降落點(diǎn)的對(duì)準(zhǔn)程度，此部分采用AD轉(zhuǎn)換模塊對(duì)光電倍增管的輸出電流信號(hào)進(jìn)行電壓采樣，并通過(guò)微控制器FPGA編寫(xiě)電壓-距離轉(zhuǎn)換算法，控制提示燈來(lái)指示當(dāng)前降落點(diǎn)的情況。

1.3助降系統(tǒng)引導(dǎo)實(shí)施過(guò)程

無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)直升機(jī)降落具體過(guò)程包括以下4個(gè)階段：

信標(biāo)布置階段：地面人員選擇合適的降落場(chǎng)，安置紫外光信標(biāo)，通過(guò)掃描陣列的方式多角度發(fā)送降落地標(biāo)信息。同時(shí)檢測(cè)各個(gè)通信模塊運(yùn)行狀態(tài)，等待直升機(jī)到來(lái)；

直升機(jī)搜索信號(hào)階段：地面信標(biāo)發(fā)射端發(fā)送自身位置信號(hào)并將采集到的圖像信息對(duì)空進(jìn)行廣播，機(jī)載設(shè)備打開(kāi)，開(kāi)始檢測(cè)紫外光信號(hào)；

直升機(jī)對(duì)準(zhǔn)機(jī)載接收端階段：直升機(jī)駕駛員根據(jù)機(jī)載提示屏的提示及提示燈的亮滅情況，并且通過(guò)獲得的地面圖像，駕駛飛機(jī)逐漸靠近、對(duì)準(zhǔn)信標(biāo)上空；

直升機(jī)下降階段：當(dāng)直升機(jī)靠近信標(biāo)降落點(diǎn)時(shí)，提示燈陣列點(diǎn)亮的個(gè)數(shù)越來(lái)越多，亮燈越多，則證明飛機(jī)與降落點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)程度越高；當(dāng)降落提示燈提示達(dá)到最佳對(duì)準(zhǔn)時(shí)，直升機(jī)開(kāi)始降落，在降落的過(guò)程中微調(diào)飛機(jī)姿態(tài)，保持飛機(jī)與降落點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，完成降落過(guò)程。

2　直升機(jī)助降中紫外光單次散射鏈路

根據(jù)發(fā)射光束發(fā)散角、接收視場(chǎng)角、發(fā)送接收角度不同所形成的重疊散射區(qū)域特性［12］，紫外光非直視通信可以分為（a）（b）（c）三類(lèi)通信方式如圖3所示，圖3（a）為NLOS［13］（a）類(lèi)通信方式，即垂直發(fā)送-垂直接收；圖3（b）為NLOS（b）類(lèi)通信方式，即定向發(fā)送-垂直接收；圖3（c）為NLOS（c）類(lèi)通信方式，即定向發(fā)送-定向接收。

圖3　紫外光非視距通信方式

圖4為非視距通信系統(tǒng)信道模型［15-16］，發(fā)送端為T(mén)x，接收端為Rx，發(fā)散角為φ1，發(fā)送仰角為θ1，視場(chǎng)角為φ2，接收仰角為θ2，有效散射體為V，通信距離為r，發(fā)送端到有效散射的距離和有效散射體到接收端的距離分別為r1和r2。Tx在φ1和θ1范圍內(nèi)向空間發(fā)射光信號(hào)，光信號(hào)在有效散射體內(nèi)散射后，Rx以φ2和θ2進(jìn)行光信號(hào)接收。

無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)直升機(jī)降落駕駛輔助系統(tǒng)的簡(jiǎn)化通信模型如圖5所示，將發(fā)射端T放置在地面的降落場(chǎng)，設(shè)其為坐標(biāo)原點(diǎn)，接收端R放置在位于高度h的直升機(jī)上，r為收發(fā)端之間的水平距離差，則二者的直線(xiàn)通信距離［17］為r′=

圖4　非視距通信系統(tǒng)信道模型

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與流程

3.1底層軟件

底層軟件設(shè)計(jì)主要完成任務(wù)如圖6所示，主要實(shí)現(xiàn)對(duì)圖像數(shù)據(jù)的采集、封裝、壓縮編碼、解碼以及數(shù)據(jù)糾錯(cuò)。

圖5　直升機(jī)降落駕駛輔助系統(tǒng)簡(jiǎn)化通信模型

3.2上層軟件設(shè)計(jì)

上層軟件平臺(tái)主要提供友好的人機(jī)交互界面，完成系統(tǒng)性能測(cè)試以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。以圖像傳輸為例，圖7（a）為發(fā)送端程序運(yùn)行流程圖，圖7（b）為接收端程序運(yùn)行流程圖，硬件接收端在接收到數(shù)據(jù)，進(jìn)行解調(diào)譯碼后通過(guò)串口把收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理之后會(huì)把圖像顯示出來(lái)。

圖6　底層軟件框圖

4　系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果及分析

直視狀態(tài)下直升機(jī)助降通信性能的分析

本文仿真過(guò)程中，部分系統(tǒng)參數(shù)［18］取值如表1所示。

利用無(wú)線(xiàn)紫外光直升機(jī)助降演示平臺(tái)，在1～10 m的通信距離下，我們測(cè)試了直視狀態(tài)下整個(gè)紫外光通信鏈路的實(shí)際路徑損耗值以及信號(hào)發(fā)送端與接收端各自的功率情況，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)取平均值后得到如下表2所示的各項(xiàng)數(shù)據(jù)。

圖7　上層軟件流程圖

表1　部分系統(tǒng)仿真參數(shù)

表2　不同距離下的路徑損耗值及收發(fā)功率數(shù)據(jù)對(duì)比

由表2可以看出，實(shí)測(cè)路徑損耗與理論值相差在2-3個(gè)dB以?xún)?nèi)，1m處相差較大是由于發(fā)射端紫外LED以及接收端PMT的發(fā)散光束角和接收視場(chǎng)角的局限造成的。表中數(shù)據(jù)表明收發(fā)端功率分別在光電倍增管和紫外光LED的典型功率附近，設(shè)備利用率較高。因此，在直升機(jī)引導(dǎo)助降場(chǎng)合下，利用相關(guān)原理對(duì)紫外光鏈路進(jìn)行推算，并將結(jié)果利用在實(shí)際系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用中，是符合理論預(yù)期的。

5　結(jié)　論

本系統(tǒng)由紫外光信標(biāo)引導(dǎo)系統(tǒng)及空地圖像傳輸系統(tǒng)兩部分組成，無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)系統(tǒng)解決了飛行員進(jìn)行定點(diǎn)降落的困難，幫助飛行員更加精確、安全、快速的完成降落；無(wú)線(xiàn)紫外光圖像傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)的圖像傳輸，提供了一種不同于傳統(tǒng)無(wú)線(xiàn)電方式的新型通信技術(shù)。綜上所述，無(wú)線(xiàn)紫外光信標(biāo)引導(dǎo)直升機(jī)降落駕駛輔助系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)、功能實(shí)現(xiàn)、應(yīng)用前景等方面基本滿(mǎn)足了設(shè)計(jì)要求，體現(xiàn)了創(chuàng)新性及實(shí)用性。

［1］趙太飛，吳鵬飛，宋鵬.無(wú)線(xiàn)紫外光直升機(jī)輔助起降通信技術(shù)研究［J］.激光雜志，2014，35（10）：9-13.

［2］Z.Xu，B.M.Sadler.Ultraviolet communications：potentialand state-of-the-art［J］.IEEE Communications Magazine，2008，46（5）：67-73.

［3］YAO Li，LI Ji-ye.Ultraviolet Short-range Communication ThroughAtmosphere［J］.JournalofAtmosphericand Environmental Optics，2006，1（2）：136-137.

［4］陳晗.直升機(jī)集群紫外光通信系統(tǒng)［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2007，22（7）：5898-5900.

［5］吳忠良，梁菁，任杰，等.紫外光通信系統(tǒng)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)分析［J］.電子科技，2011，24（8）：119-123.

［6］Yen J.Intentionally short-range communications exploratory development plan.National Technical Information Service，1992.

［7］ZUO Yong，WU Jian，XIAO Hou-fei，at el.Non-Line-of-Sight UltravioletCommunicationPerformanceinAtmospheric Turbulence［J］.China Communications，2013，10（11）：52-57.

［8］李霽野，邱柯妮，王云帆.自由大氣紫外光通信中幾類(lèi)光源的比較和研究［J］.光通信技術(shù)，2006，9：56-57.

［9］余曉東，趙太飛，王小瑞，等.基于單LED的無(wú)線(xiàn)紫外光通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，11（19）：23-28.

［10］王惠琴，柯熙政.MIMO大氣激光通信及其關(guān)鍵技術(shù)［J］.激光雜志，2008，16（3）：52-54.

［11］青山良，李曉毅，肖沙里，等.紫外光語(yǔ)音調(diào)制信號(hào)的接收和解調(diào)［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2006，27（6）：2032-2035.

［12］羅易雪，湯心溢，劉鵬.紫外通信平臺(tái)搭建技術(shù)［J］.光學(xué)通信技術(shù)，2014.

［13］何華，柯熙政，趙太飛．基于高度的紫外光NLOS單次散射鏈路模型的研究［J］．激光技術(shù)，2011，35（4）：495-498．

［14］Shaw G.A，Siegel A.M，Mode J.Recent Progress in Shortrange Ultraviolet Communication［C］.Unattended Ground Sensor Technologies and Applications VII，Proceedings of SPIE，2005，5796：214-225.

［15］ZHAO Tai-fei，ZHANG Ai-li，JIN-dan.Researchonthe Inter-link Interference Model in Wireless Ultraviolet NLOS Communication［J］.ACTA OPTICA SINICA，2013，33（7）：0706023-1-0706023-6.

［16］Mohamed A.El-Shimy，Steve Hranilovic.Binary-Input Non-Line-of-Sight Solar-Blind UV Channels：Modeling，Capacity and Coding［J］.J.OPT.COMMUN.NETW.，2012，4（12）：1008-1017.

［17］唐義，倪國(guó)強(qiáng)，藍(lán)天，等.“日盲”紫外光通信系統(tǒng)傳輸距離的仿真計(jì)算［J］.光學(xué)技術(shù)，2007，33（1）：27-30.

［18］王平，高俊，天培根.紫外光語(yǔ)音通信系統(tǒng)參數(shù)補(bǔ)償技術(shù)及Matlab仿真［J］.海軍工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，20（5）：56-59.

Helicopter landed driver assistance systems based on wireless ultraviolet light beacon

HUANG Xin1，TANG Dong-dong1，CHENG Lu-min1，ZHAO Tai-fei1，2
（1.Faculty of Automation and Information Engineering，Xi'an University of Technology，Xi'an 710048，China；2.Key Lab of Optical Fiber Sensing&Communications（UESTC），Ministry of Education，Chengdu 610054，China）

In order to solve the security problem of emergency landing in the field，the emergency landing of helicopter is designed based on the guidance of wireless ultraviolet beacon.The real-time image transmission is realized，which can provide accurate information for the helicopter landing.At the same time，the simulation analysis of horizontal and vertical communication is carried out，and the field test is carried out through the experimental platform.The design has high practicability and innovation，and the security and stability of helicopter landing in complex environment are improved.

ultraviolet communication；LOS link；helicopter assisted landing；beacon guiding

TN929.12

A

1674－6236（2016）09-0129-04

2015-11-24稿件編號(hào)：201511225

國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)-中國(guó)民航局民航聯(lián)合研究基金資助（U1433110）；陜西省科技計(jì)劃工業(yè)公關(guān)項(xiàng)目（2014K05-18）；陜西省教育廳產(chǎn)業(yè)化培育項(xiàng)目（2013JC09）；全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基金支持

黃 鑫（1995—），男，陜西渭南人。研究方向：嵌入式通信。