基于激光陀螺的變形測量系統方案設計＊

馬馳新 劉素珍

（92941部隊95分隊 葫蘆島 125001)

1 引言

艦船甲板變形［1］的原因包括三個方面：一是由于艦艇載荷的變化導致重力分布發生變化；二是溫度變化、艦船鋼板疲勞和結構變化；三是平臺運動過程中收到海浪沖擊、武器發射產生的沖擊，導致平臺撓曲。其主要影響是造成用戶設備所處地域安裝的導航設備或武器裝備的水平、方位基準與艦船主慣導部位的水平、方位基準［2］間出現偏差，直接影響試驗和使用效果。艦船變形對慣性導航系統海上試驗影響很大，但其破壞作用主要發生在被試慣性導航系統中具有零位基準的設備安裝基座和測量設備安裝基座的局部變形。基于激光陀螺原理的變形測量系統就是為消除其對試驗的影響而設計的。

2 激光陀螺工作原理

激光陀螺是一種光學陀螺，通過光波頻率差測量角速度，是一種新型的慣性器件［3］。把一個光學頻率的振蕩器組裝成一個激光器［4］。可用3面鏡子構成三角形的光路。如果在光路的任何一點上產生一條光束，它便可以沿著這條閉合光路船舶，一次在每個鏡面處反射，然后又回到起始點。當返回的的光束與發出的光束相同時，便會發生持續的光學震蕩。兩條這樣的光束獨立形成，一條順時針方向行進，另一條逆時針方向行進。當敏感器在慣性空間里固定不動時，兩條光束具有同樣頻率，當敏感器繞垂直于光束平面的軸線旋轉時，兩條光束光程發生變化。光程較長的光束頻率降低，另條光束頻率提高，從而是每條光束頻率變化能夠維持激光器運行所需的諧振條件。

光程微小變化導致頻率的微小變化，差拍頻率Δv表達式為

式中，A為腔體面積；Ω為敏感器旋轉速率；c為光速；L為周長。

激光陀螺就是通過測量正反兩束光之間的頻率差來實現對輸入轉速的測量［5］。

3 形變測量的原理

基于激光陀螺具有高精度的角位置測量能力，通過三個相互正交安裝的激光陀螺構成的組合體（LGU)可精確測量出不同位置的角度矢量。利用兩套LGU輸出的角度矢量的差值中包含的運動平臺形變角的特征，采用左右顧及方法對產值信息進行處理，即可獲得運動平臺的形變大小和基準失準角。船體角變形測量方法的基本原理是兩套LGU對同一船體角運動矢量進行測量，通過比較兩套系統輸出的角度測量值的差異，得到船體變形和相互之間的坐標關系，測量原理如圖1所示。

圖1 角變形測量原理圖

→φ為總變形角矢量，→ε1和→ε2分別為激光陀螺測量誤差角速度矢量。通過引起角變形模型和激光陀螺的誤差模型，可得到如下的Kalman濾波方程。

4 系統設計

基于激光陀螺的變形測量方法的基本思想是基于激光陀螺具有高精度的角位置（優于0.1″)測量能力，通過三個互相正交安裝的激光陀螺構成的組合體（LGU)可精確測量出所在位置的三維角度矢量，利用兩套LGU分別精確測量出不同位置的角度矢量。由于這兩套LGU輸出的角度矢量的差值中包含了運動平臺變形角的特征，因此采取最優估計方法對這個差值信息進行相關處理［6～7］，即可獲得運動平臺的變形角大小和基準失準角。

4.1 變形測量系統組成

變形測量系統由兩套LGU（Laster Gyroscope Unit，由三個相互正交安裝的單軸激光陀螺構成的激光陀螺組合體的簡稱)、三組外部電源、兩部計算機、GPS天線和時統模塊組成。

4.1.1 慣性測量單元（IMU)設計

慣性測量單元包括三個二頻機抖激光陀螺、三個石英加速度計、數據采集板、溫控板和支撐架等，用于敏感載體三維線加速度和加速度，并采集陀螺和加速度計的輸出等；電子線路單元包括旋轉控制板和電源模塊。

IMU設計為可獨立拆裝的獨立組件，可通過四個螺釘與系統底板固聯，電氣接口設計為一個可拔插多芯接插件與系統電氣部分相連。在艦船上進行更換維護時，只需松開四個螺釘、拔掉接插件即可取下IMU。

IMU內部分成兩大部分，即臺體和支架。其中臺體用于安裝激光陀螺和加速度計，支架用于支撐臺體，臺體和支架之間通過橡膠減振器連接，從而隔離慣性元件與外部環境之間的噪聲互擾。此外在支架內側表面還可設置密閉的磁屏蔽材料，將慣性元件與外部磁干擾環境隔離。

為使安裝誤差標定［8］和維修更換有基準，IMU支架外側有供定位用的水平和方位基準靠面。

4.1.2 時統模塊

圖2 時統單元組成框圖

時統模塊包含GPS接收機，主要作用測量設備提供速度數據、位置數據、秒脈沖和時標信息。利用授時GPS組成時統分系統，時統分系統主要由高穩定度晶振、對時線路、分頻及計時電路、延時調整線路、輸入輸出接口電路等組成。具體原理框圖如圖2所示。

銣原子頻標輸出的信號經放大整形處理后，進入分頻鏈進行分頻，得到1Hz的秒信號，秒脈沖信號與授時GPS接收機輸出的秒同步信號進行對準。1Hz的秒信號通過對時校時處理，得到與授時GPS同步運行的時鐘秒信號，該時鐘秒信號進入單片機進行時間計數，得到年月日時分秒的時間信號，1KHz信號經過24bit計數器得到毫秒信號。輸送給數據處理系統計算機的數據為：年月日、時分秒、秒信號及毫秒信號等。主要技術指標如下：

GPS對時誤差 ≤1μs；

B碼對時誤差 ≤10μs；

計時電路最大延時誤差 ≤30ns；

延時調整范圍 1～999999μs。

4.2 技術方案

由于主慣導與子慣導［9］安裝于不同甲板，兩者的安裝位置之間存在甲板變形，為正確評價局部基準的技術指標，使用變形測量系統測量子慣導的安裝基座與主慣導設備安裝基座之間的變形。其中LGU1在捷聯安裝于主慣導設備旁邊，LGU2捷聯安裝于子慣導設備旁邊。數據錄取裝置同步錄取子慣導設備的姿態、位置及速度信息，主慣導的姿態、位置及速度信息，GPS時間信息。設備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 設備安裝示意圖

4.3 主要戰技指標

≤25″（RMS)。

5 變形測量系統測量精度實驗測試

5.1 測試方案

以某型測量船作為搭載試驗平臺，利用光學變形監測系統作為參考基準檢驗激光陀螺自主變形測量系統精度。兩套LGU分別安裝于聯合基座上。利用GPS時統模塊實現時間同步，利用數據處理計算機實時接收LGU輸出的單個基座的角度變形量，通過數據處理與計算得到聯合基座的相對變形量。光學監測系統［10］主要包括發射模塊、接收模塊和光學通道，發射模塊包括平行光管，接收模塊包括CCD成像系統和數據解算單元。發射模塊、接收模塊和LGU一體安裝于聯合基座上，發射模塊的平行光管敏感聯合基座1的縱向和橫向角度變化，接收模塊的CCD成像系統接收平行光管發射的光線，通過成像計算后得到兩個聯合基座之間的角度變形量，與兩套LGU解算得到的角度變形量進行比對，從而達到檢驗LGU測量角度變形量精度的目的。LGU和光學監測系統安裝示意圖如圖4所示。

圖4 變形測量系統與光學標校系統安裝示意圖

5.2 測試結果

共進行了三個航次的試驗，其中一個航次試驗結果如圖5所示。從對比結果可以看出，光學變形測量結果與自主變形測量結果基本一致。試驗結果表明：激光陀螺變形測量系統的測量精度優于25″。

圖5 自主變形測量與光學測量對比結果

6 結語

本文通過對甲板相對變形測量方法研究及系統設計，主要測量被試裝備和測試設備之間的甲板變形，得到艦船航向和姿態信息真值。對于完成不同設備間的相對變形測量任務具有實際意義。

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