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AVS LIDAR for Detecting Obstacles Inside Aerosol

  • Xiang Zhu
  • Philip Church
  • M. Labrie
Conference paper

Abstract

The ability to detect obstacles or ground inside aerosols that are small particles suspended in the atmosphere is a highly sought-after feature for numerous helicopter operations. Helicopter pilots need visual assistance for safe flight and landing during white-out conditions that can be produced by natural weather phenomenon such as fog or a snow storm, or can be formed by circling snow clouds generated by a helicopter’s rotorwash. Similarly helicopter pilots need to see obstacles or ground under brown-out conditions, in which dust clouds are generated by a helicopter’s rotorwash during landing on a sandy area. This paper describes a specially designed AVS LIDAR for detecting obstacles inside aerosols for helicopter operation. AVS (Augmented Visionic System) is a vision assistant system designed to help helicopter pilots navigate under extremely poor weather conditions. One of the key aspects of AVS is the utilization of active sensors to detect obstacles and provide scenes behind aerosols under poor weather conditions. Since LIDAR can use the gating function of timing discrimination to suppress the effect of scattering from dust and fog, it can generally “see” farther than passive sensors such as human eyes and IR cameras, complimenting passive sensors for AVS. The challenge of using a LIDAR under aerosol conditions is not only the requirement of high laser power for penetrating aerosols, but also the requirement of high detection dynamic range and the suppression of aerosol scattering in front of the LIDAR. Although flash LIDAR or gated laser cameras can use timing-discrimination functions to suppress the signals from aerosols, they generally don’t have enough optical power to penetrate aerosol and to cover a reasonably large area. Conventional scanning LIDARs have been used to detect obstacles inside aerosol with limited success. They normally use optics that has a co-aligned launching beam and returning beam before the scanning optics. Consequentially, the returning beam from a target is always imaged back onto the receiver regardless of the range to target. The scattering from aerosol in front of a LIDAR window can saturate the receiver before any further signal processing can occur. Neptec AVS LIDAR uses an autosynchronized optical design, which utilizes a triangulation relationship to control the amount of returning beam accepted by the TOF (time-of-flight) receiver as a function of target range. The design also maintains this property during high-speed optical scanning. As a result, AVS LIDAR can suppress the return signals from nearby aerosol scattering and, at the same time, have a sensitivity and dynamic range to detect obstacles or ground inside aerosol. Neptec has conducted experiments to study the effect of atmospheric aerosols scattering on LIDAR, FLIR and human vision by using a propagation and aerosol evaluation corridor at DRDC Valcartier, Québec, Canada. Neptec has also carried out flight tests of a concept AVS LIDAR on a NRC Bell 412 helicopter around the shore of the Crash Lake located in the north of Ottawa, Canada.

Keywords

Landing Site Visible Camera Aerosol Cloud Passive Sensor Lidar Return 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.

Sommaire

La capacité de détecter des obstacles ou le sol à l’intérieur d’aérosols est une caractéristique très recherchée aux fins de nombreuses opérations par hélicoptère. Les pilotes d’hélicoptère ont besoin d’une aide visuelle pour assurer la sécurité en vol et à l’atterrissage en présence de voiles blancs qui peuvent être dus à des phénomènes météorologiques naturels comme le brouillard et les tempêtes de neige, ou à des nuages de neige circulaires produits par le souffle du rotor d’un hélicoptère. De même, les pilotes d’hélicoptère doivent voir les obstacles ou le sol lorsque des nuages de poussière sont soulevés par le souffle du rotor de l’hélicoptère à l’atterrissage sur un sol sablonneux. Le présent document décrit un dispositif lidar AVS spécialement conçu pour détecter des obstacles à l’intérieur d’aérosols aux fins de la manœuvre d’hélicoptères. Le système AVS (système visionique augmenté) est un système d’aide à la vision conçu pour aider les pilotes d’hélicoptère à naviguer dans des conditions météorologiques extrêmement mauvaises. L’un des aspects clés de l’AVS réside dans l’utilisation de capteurs actifs pour détecter des obstacles et « voir à travers » de mauvaises conditions météorologiques. Comme le lidar peut exploiter la fonction de commande de la discrimination temporelle afin de supprimer l’effet de diffusion par la poussière et le brouillard, il peut généralement « voir » plus loin que les capteurs passifs, par exemple l’œil humain et les caméras IR; c’est un bon complément des capteurs passifs pour l’AVS. Les défis que pose l’utilisation du lidar en présence d’aérosols tiennent non seulement à la grande puissance laser nécessaire pour pénétrer les aérosols, mais aussi à la nécessité de disposer d’une haute dynamique de détection et de supprimer la diffusion par les aérosols devant le lidar. Bien que les lidars à éclats ou les caméras à commande laser puissent exploiter les fonctions de discrimination temporelle pour supprimer les signaux provenant des aérosols, leur puissance optique n’est en général pas suffisante pour pénétrer l’aérosol et couvrir une zone de taille raisonnable. Les lidars à balayage classiques ont été utilisés pour détecter des obstacles à l’intérieur d’aérosols avec un succès limité. Ils utilisent normalement un système optique avec faisceau de départ et faisceau de retour co-alignés devant le dispositif optique de balayage. Par conséquent, le faisceau de retour provenant d’une cible est toujours renvoyé au récepteur quelle que soit la distance de la cible. La diffusion par l’aérosol devant une fenêtre lidar peut saturer le récepteur et interrompre ainsi le traitement des signaux. Le lidar AVS de Neptec offre une conception optique autosynchronisée, utilisant une relation de triangulation pour fractionner le faisceau de retour qui sera accepté par le récepteur TOF (durée de trajet) en fonction de la distance de la cible. En outre, cette propriété se maintient lors du balayage optique à haute vitesse. Ainsi, le lidar AVS peut supprimer les signaux de retour dus à la diffusion proche par l’aérosol et, en même temps, il possède la sensibilité et la dynamique nécessaires pour détecter des obstacles ou le sol à l’intérieur de l’aérosol. Neptec a mené des expériences visant à étudier l’effet de diffusion des aérosols atmosphériques sur le lidar, le FLIR et la vision humaine en utilisant un corridor de propagation et d’évaluation des aérosols à RDDC Valcartier (Québec, Canada). Neptec a également effectué des essais en vol d’un concept de lidar AVS à bord d’un hélicoptère Bell 412 du CNRC près des rives du lac Crash, au nord d‘Ottawa (Canada).

Notes

Acknowledgements

We would like to thank our collaborators in this project, including Norah Link, Louis Dentigny, and Ron Kruk from CAE for their support and guidance on AVS system requirement and application. We thank Sion Jennings, Carl Swail, and Stephane Carignan from NRC Flight Research Laboratory for their support on system integration and helicopter flight tests; also Luc Bissonnette and Gilles Roy from DRDC Valcartier for their help in studying aerosol penetration.

References

  1. Bissonnette LR (1995) Multiple scattering of narrow light beams in aerosols. Appl Phys B: Lasers Opt 60(4):315-323CrossRefADSGoogle Scholar
  2. Farmer WM (2001) The atmospheric filter. JCD Publishing, Winter Park, FLGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Science+Business Media, LLC 2010

Authors and Affiliations

  1. 1.Neptec Design Group LtdOttawaCanada

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