分光再利用型激光多普勒測(cè)速儀及其與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航

聶曉明，周 健，魏 國(guó)，龍興武

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073）

分光再利用型激光多普勒測(cè)速儀及其與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航

聶曉明，周 健，魏 國(guó)，龍興武

（國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué) 光電科學(xué)與工程學(xué)院，長(zhǎng)沙 410073）

為了抑制慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差累積效應(yīng)，提出了用激光多普勒測(cè)速儀與捷聯(lián)慣導(dǎo)進(jìn)行組合?；诜止庠倮玫乃枷朐O(shè)計(jì)了新型光路結(jié)構(gòu)的激光多普勒測(cè)速儀，并詳細(xì)討論了激光測(cè)速儀與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合進(jìn)行航跡推算的過程。理論分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，分光再利用型激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量精度高、數(shù)據(jù)有效性及穩(wěn)定性好，將其用于車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)大大提高了導(dǎo)航精度，位置誤差由純捷聯(lián)慣導(dǎo)2 h 1166 m提高到組合系統(tǒng)2 h 20 m。

激光多普勒測(cè)速儀；捷聯(lián)慣導(dǎo)；分光再利用；航跡推算

隨著慣性技術(shù)的飛速發(fā)展，導(dǎo)航系統(tǒng)越來越廣泛地引起人們的重視，已成功應(yīng)用于軍用與民用的眾多技術(shù)領(lǐng)域中，如宇宙飛船、火箭、導(dǎo)彈、飛機(jī)、坦克、艦船等各種運(yùn)載器上。作為最有發(fā)展前途的一種導(dǎo)航系統(tǒng)，慣性導(dǎo)航系統(tǒng)(inertial navigation system，INS)具有完全自主、隱蔽性好、不依賴環(huán)境條件、抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是INS的誤差隨時(shí)間積累，這就導(dǎo)致它的定位誤差隨工作時(shí)間而發(fā)散[1]。

為了提高導(dǎo)航精度，對(duì)于車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)而言，零速修正技術(shù)[2-4]已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，但是它需要車式載體周期性地停止，這大大影響了載體的靈活性和機(jī)動(dòng)性。另外，里程計(jì)、多普勒計(jì)程儀和白光測(cè)速儀也常常被用來與捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行組合導(dǎo)航[5-7]，但是它們都存在固有的缺陷。里程計(jì)受地面環(huán)境影響較大，車輪跳動(dòng)、打滑及變形都會(huì)給測(cè)量帶來誤差。多普勒計(jì)程儀通常以聲波或微波為媒介，而聲波或微波的方向性差，從而導(dǎo)致其測(cè)量精度不高。白光測(cè)速儀是基于空間濾波技術(shù)，它的測(cè)量景深非常小，信號(hào)丟失非常嚴(yán)重，常用的軟件補(bǔ)償方式使得其測(cè)量精度得不到保證。

自從1964年Yeh等人證實(shí)了可利用激光多普勒頻移技術(shù)來確定流體速度[8]，激光多普勒測(cè)速儀(laser Doppler velocimeter, LDV)就以其測(cè)量精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大及非接觸測(cè)量等特點(diǎn)在航空、航天、機(jī)械、能源等領(lǐng)域得到快速的發(fā)展[9-11]。然而，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，LDV在信號(hào)丟失、測(cè)量景深與精度不足、穩(wěn)定性差等方面的困難，導(dǎo)致其在慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中遲遲得不到應(yīng)用。為了對(duì)車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行速度校準(zhǔn)與修正，本文設(shè)計(jì)分光再利用型激光多普勒測(cè)速儀并將其與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合導(dǎo)航，在不影響載體靈活性、機(jī)動(dòng)性的基礎(chǔ)上大大提高導(dǎo)航精度。

1 LDV基本原理及其與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合進(jìn)行航跡推算

1.1 分光再利用型激光多普勒測(cè)速儀的基本原理

激光多普勒測(cè)速技術(shù)是基于光學(xué)多普勒效應(yīng)，利用運(yùn)動(dòng)物體散射光的多普勒頻移與其運(yùn)動(dòng)速度之間的線性關(guān)系，通過探測(cè)多普勒頻率檢測(cè)出被測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度。激光多普勒常見的測(cè)量模式有三種：雙光束差動(dòng)模式、參考光模式和自混合模式，其中參考光模式適合測(cè)量車式載體自身的速度。這是因?yàn)椋p光束差動(dòng)模式不能進(jìn)行離焦測(cè)量(待測(cè)體必須始終位于兩束光的相交區(qū))，而車式載體在運(yùn)行過程的顛簸搖擺，會(huì)改變探頭到地面的距離；自混合模式，由于它是通過檢測(cè)激光器后端輸出光強(qiáng)的波動(dòng)頻率進(jìn)行測(cè)量的，所以當(dāng)工作電流和外界溫度發(fā)生改變時(shí)，光強(qiáng)也會(huì)相應(yīng)地改變，這將嚴(yán)重影響多普勒頻率測(cè)量精度。

傳統(tǒng)參考光模式激光多普勒測(cè)速儀的光路結(jié)構(gòu)如圖1所示，激光器出射的激光束被分成等光強(qiáng)的兩束，一束作為參考光被全反鏡返回入射到探測(cè)器；另一束作為信號(hào)光經(jīng)被測(cè)物體散射沿原路返回，最終與參考光在探測(cè)器的光敏面上進(jìn)行混頻。根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，信號(hào)光與參考光的頻率差即多普勒頻率與物體運(yùn)動(dòng)速度成正比，兩者之間的關(guān)系為

式中,fD是多普勒頻率，v是待測(cè)物體的運(yùn)動(dòng)速度，θ是測(cè)速系統(tǒng)的發(fā)射傾角，λ是激光束的波長(zhǎng)。通過探測(cè)多普勒頻率即可解算出物體的運(yùn)動(dòng)速度

由光路結(jié)構(gòu)分析可知，為了與微弱的散射回波匹配而獲得較高的外差效率，參考光的主要能量被衰減了，激光束的能量沒有得到充分利用，這會(huì)大大影響多普勒信號(hào)的強(qiáng)度。由于信號(hào)光兩次經(jīng)過分束器，依次是透射和反射，所以并不能通過改變分束器分束比的方式來提高光能利用率。

圖1 傳統(tǒng)參考光模式激光多普勒測(cè)速儀光路結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical structure of conventional reference-beam LDV

為了解決傳統(tǒng)參考光束型激光多普勒測(cè)速儀中光能利用率低的問題，文章基于分光再利用的思想，設(shè)計(jì)了新型光路結(jié)構(gòu)的LDV，如圖2所示。新型結(jié)構(gòu)的LDV將傳統(tǒng)參考光模式中本振光路中的衰減片換成一個(gè) 45°放置的高反射率鏡片 BS2，這樣一方面既保持了原結(jié)構(gòu)中參考波與回波強(qiáng)度匹配的優(yōu)點(diǎn)；另一方面，通過增加高反鏡M3和中心帶孔的高反鏡M4使得原結(jié)構(gòu)中被衰減片衰減掉的那部分光又重新被利用起來，大大增強(qiáng)了探測(cè)光的光強(qiáng)，從而提高了回波信號(hào)的強(qiáng)度，也進(jìn)一步提高了測(cè)量準(zhǔn)確性。

圖2 分光再利用型激光多普勒測(cè)速儀的光路布置Fig.2 Optical arrangement of split-reuse type LDV

1.2 LDV與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合進(jìn)行航跡推算

新型結(jié)構(gòu)的LDV測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)有效性好，所以可以用其與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合進(jìn)行航跡推算，組合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。首先捷聯(lián)慣導(dǎo)需要在靜態(tài)條件下依靠GPS的位置信息進(jìn)行快速對(duì)準(zhǔn)；其次由于 LDV在安裝過程中存在安裝誤差角，這就導(dǎo)致LDV的比例因子存在安裝誤差，需要借助車式載體運(yùn)行直線，根據(jù)運(yùn)行距離來標(biāo)定LDV的比例因子，最后利用捷聯(lián)慣導(dǎo)的航向信息和LDV的速度信息進(jìn)行航跡推算。

圖3 LDV與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 Structure of the integrated system using LDV together with strapdown inertial navigation

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

利用所設(shè)計(jì)的分光再利用型激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量轉(zhuǎn)臺(tái)的轉(zhuǎn)速，這里轉(zhuǎn)臺(tái)是瑞士生產(chǎn)的高精度速率轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性高達(dá) 10-5。通過軟件控制轉(zhuǎn)臺(tái)在某一恒定的轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)動(dòng)，并將測(cè)速儀的測(cè)量結(jié)果與設(shè)定值比較，得到速度測(cè)量的相對(duì)誤差曲線，如圖4所示。根據(jù) 1 h的實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得出 LDV的測(cè)量精度為0.285%，因此可將它用于車載慣性導(dǎo)航系統(tǒng)。

圖4 LDV速度誤差曲線Fig.4 Velocity error of LDV

將慣性測(cè)量單元(inertial measurement unit，IMU)、LDV、GPS安裝在車式載體上進(jìn)行了車載實(shí)驗(yàn)(跑車路線如圖5所示)。實(shí)驗(yàn)中使用的GPS的定位誤差小于5 m，動(dòng)態(tài)速度誤差小于0.05 m/s。跑車過程中以GPS得到的速度為參考，分析捷聯(lián)慣導(dǎo)和LDV的速度誤差，并以GPS得到的位置為基準(zhǔn)計(jì)算捷聯(lián)慣導(dǎo)和組合系統(tǒng)航跡推算的位置誤差。

圖6為所得GPS、IMU和LDV速度測(cè)量的結(jié)果，其中圖6(a)是三種設(shè)備所得的速度曲線，圖6(b)是以GPS測(cè)得的速度值為參考，IMU及LDV的速度誤差曲線。

圖5 車式載體運(yùn)行路線Fig.5 Running path of the vehicle

圖6 GPS、IMU和LDV速度測(cè)量結(jié)果.;Fig.6 Velocity measurement results of GPS, IMU and LDV.

圖7為航跡推算的結(jié)果，其中圖7(a)是IMU航跡推算的位置誤差曲線，圖7(b)是LDV與IMU組合系統(tǒng)航跡推算的位置誤差曲線。

由圖6(a)可知，三種設(shè)備所測(cè)得的速度值大致吻合。圖6(b)顯示IMU的速度測(cè)量誤差比LDV的速度誤差大，其中IMU的速度誤差是發(fā)散的，LDV速度值的離散性較好，這主要是因?yàn)镮MU存在誤差累積，而LDV沒有誤差積累的過程。圖6(b)中存在毛刺是因?yàn)檐囀捷d體在運(yùn)行過程中GPS出現(xiàn)了丟星現(xiàn)象。

根據(jù)圖7中航跡推算的結(jié)果可知，由于IMU存在誤差累積效應(yīng)，純捷聯(lián)慣導(dǎo)2 h的位置誤差較大，為1166 m；而 LDV與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合系統(tǒng)的位置誤差較小，為20 m。LDV與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合，大大抑制了捷聯(lián)慣導(dǎo)的誤差累積效應(yīng)，提高了導(dǎo)航精度。

圖7 航跡推算結(jié)果Fig.7 Navigation results

3 結(jié) 論

文章所設(shè)計(jì)新型光路結(jié)構(gòu)的 LDV具有測(cè)量精度高、光能利用率高及穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，將其與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合可以大大抑制導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差累積效應(yīng)，提高了導(dǎo)航精度。另外，由于所設(shè)計(jì)的LDV是一維結(jié)構(gòu)，因此跑車過程中車式載體的上下顛簸會(huì)引入一定的速度誤差，這也是 LDV的測(cè)速精度在跑車實(shí)驗(yàn)中不如實(shí)驗(yàn)室的主要原因。下一步的主要工作是設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)二維結(jié)構(gòu)的LDV，用其與捷聯(lián)慣導(dǎo)組合必將進(jìn)一步提高導(dǎo)航的精度。

（References）：

[1] 秦永元，張紅鉞，汪叔華. 卡爾曼濾波與組合導(dǎo)航原理[M]. 西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，2012.

[2] 趙玉，趙忠，范毅. 零速修正技術(shù)在車載慣性導(dǎo)航中的應(yīng)用研究[J]. 壓電與聲光，2012，34(6)：843-852.

ZHAO Yu, ZHAO Zhong, FAN Yi. Study on application of zero velocity update technology to inertial navigation system[J]. Piezoelectrics & Acoustooptics, 2012, 34(6): 843-852.

[3] 趙小明，鄧東黎，蔣志煒，等. 車載單軸旋轉(zhuǎn)激光捷聯(lián)慣導(dǎo)抗晃動(dòng)初始對(duì)準(zhǔn)和零速修正方法[J]. 中國(guó)慣性技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，21(3)：302-307.

ZHAO Xiao-ming, DENG Dong-li, JIANG Zhi-wei, HUANG Feng-rong, SUN Wei-qiang. Anti-disturbing alignment and ZUPT methods for land single-axis rotation laser SINS[J]. Journal of Chinese Inertial Technology, 2013, 21(3): 302-307.

[4] Li Leilei, Pan Yingjun, Lee Jong-Ki, et al. Cart-mounted geolocation system for unexploded ordnance with adaptive ZUPT assistance[J]. IEEE Transactions on Instrumentation And Measurement, 2012, 61(4): 974-979.

[5] 羅強(qiáng)力，韓軍海. 車載捷聯(lián)慣導(dǎo)與里程計(jì)組合導(dǎo)航技術(shù)研究[J]. 導(dǎo)航與控制，2011，10(4)：6-11.

LUO Qiang-li, HAN Jun-hai. Research on SINS and OD integrated navigation system for land vehicles[J]. Navigation and Control, 2011, 10(4): 6-11.

[6] 彭立東，馬海濤，許偉杰. DVL在組合導(dǎo)航技術(shù)中的發(fā)展應(yīng)用[J]. 聲學(xué)技術(shù)，2011，30(3)：416-418.

PENG Li-dong, MA Hai-tao, XU Wei-jie. The development and application of DVL in integrated navigation technology[J]. Technical Acoustics, 2011, 30(3): 416-418.

[7] 李旭，張為公. 智能車輛SINS/DGPS/光電測(cè)速儀組合導(dǎo)航的研究[J]. 傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2007，20(6)：1437-1442.

LI Xu, ZHANG Wei-gong. SINS/DGPS/Speedometer integrated navigation for intelligent vehicle[J]. Chinese Journal of Sensors and Actuators, 2007, 20(6): 1437-1442.

[8] Yeh Y, Cummins H Z. Localized fluid flow measurements with an He-Ne laser spectrometer[J]. Applied Physics Letters, 1964, 176(4): 176-178.

[9] Maru K, Fujii Y. Wavelength-insensitive laser Doppler velocimeter using beam position shift induced by Mach-Zehnder interferometers[J]. Optics Express, 2009, 17(20): 17441-17449.

[10] Charrett T O H, James S W, Tatam R P. Optical fibre laser velocimetry: a review[J]. Meas. Sci. Technol., 2012, 23(3): 1-32.

[11] Maru K, Liu Yanhu, Rong Shenglu, et al. Twodimensional laser Doppler velocimeter using polarized beams and 90° phase shift for discrimination of velocity direction[J]. Optik, 2011, 122: 974-977.

[12] Maru K, Fujii Y. Differential laser doppler velocimeter with enhanced range for small wavelength sensitivity by using cascaded Mach–Zehnder interferometers[J]. Journal of Lightwave Technology, 2010, 28(11): 1631-1637.

Split-reuse type laser Doppler velocimeter and its integrated navigation with strapdown inertial navigation

NIE Xiao-ming, ZHOU Jian, WEI Guo, LONG Xing-wu
(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)

In order to suppress the error accumulative effect of INS(inertial navigation system), an idea of building an integrated navigation system using laser Doppler velocimeter(LDV) together with strapdown inertial navigation is proposed. A novel LDV with advanced optical structure is designed based on split-reuse technique. And the process of dead-reckoning using LDV and strapdown inertial navigation is discussed. The results of theory and experiment show that the accuracy, data validity and stability of the split-reuse type LDV are excellent, which can significantly improve the positioning accuracy of the vehicle navigation system. The position error of 2 h 1166 m with the pure strapdown inertial navigation is decreased to 2 h 20 m by using the integrated system.

laser Doppler velocimeter; strapdown inertial navigation; split-reuse type; dead reckoning

聯(lián) 系 人：龍興武（1958—），教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：xwlong110@sina.com

1005-6734(2014)04-0510-04

10.13695/j.cnki.12-1222/o3.2014.04.016

TN249

A

2014-01-30；

2014-06-16

國(guó)防自然科學(xué)基金項(xiàng)目（61308060）

聶曉明（1986—），男，在讀博士生，主要從事光學(xué)檢測(cè)技術(shù)方面的研究。E-mail：thudpim@gmail.com