分光再利用型激光多普勒測速儀及其與捷聯慣導組合導航

聶曉明，周 健，魏 國，龍興武

（國防科學技術大學 光電科學與工程學院，長沙 410073）

分光再利用型激光多普勒測速儀及其與捷聯慣導組合導航

聶曉明，周 健，魏 國，龍興武

（國防科學技術大學 光電科學與工程學院，長沙 410073）

為了抑制慣性導航系統的誤差累積效應，提出了用激光多普勒測速儀與捷聯慣導進行組合。基于分光再利用的思想設計了新型光路結構的激光多普勒測速儀，并詳細討論了激光測速儀與捷聯慣導組合進行航跡推算的過程。理論分析和實驗結果表明，分光再利用型激光多普勒測速儀測量精度高、數據有效性及穩定性好，將其用于車載慣性導航系統大大提高了導航精度，位置誤差由純捷聯慣導2 h 1166 m提高到組合系統2 h 20 m。

激光多普勒測速儀；捷聯慣導；分光再利用；航跡推算

隨著慣性技術的飛速發展，導航系統越來越廣泛地引起人們的重視，已成功應用于軍用與民用的眾多技術領域中，如宇宙飛船、火箭、導彈、飛機、坦克、艦船等各種運載器上。作為最有發展前途的一種導航系統，慣性導航系統(inertial navigation system，INS)具有完全自主、隱蔽性好、不依賴環境條件、抗干擾能力強等諸多優點。但是INS的誤差隨時間積累，這就導致它的定位誤差隨工作時間而發散[1]。

為了提高導航精度，對于車載慣性導航系統而言，零速修正技術[2-4]已經得到了廣泛的應用，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動性。另外，里程計、多普勒計程儀和白光測速儀也常常被用來與捷聯慣導系統進行組合導航[5-7]，但是它們都存在固有的缺陷。里程計受地面環境影響較大，車輪跳動、打滑及變形都會給測量帶來誤差。多普勒計程儀通常以聲波或微波為媒介，而聲波或微波的方向性差，從而導致其測量精度不高。白光測速儀是基于空間濾波技術，它的測量景深非常小，信號丟失非常嚴重，常用的軟件補償方式使得其測量精度得不到保證。

自從1964年Yeh等人證實了可利用激光多普勒頻移技術來確定流體速度[8]，激光多普勒測速儀(laser Doppler velocimeter, LDV)就以其測量精度高、線性度好、動態響應快、測量范圍大及非接觸測量等特點在航空、航天、機械、能源等領域得到快速的發展[9-11]。然而，針對實際應用環境，LDV在信號丟失、測量景深與精度不足、穩定性差等方面的困難，導致其在慣性導航系統中遲遲得不到應用。為了對車載慣性導航系統進行速度校準與修正，本文設計分光再利用型激光多普勒測速儀并將其與捷聯慣導組合導航，在不影響載體靈活性、機動性的基礎上大大提高導航精度。

1 LDV基本原理及其與捷聯慣導組合進行航跡推算

1.1 分光再利用型激光多普勒測速儀的基本原理

激光多普勒測速技術是基于光學多普勒效應，利用運動物體散射光的多普勒頻移與其運動速度之間的線性關系，通過探測多普勒頻率檢測出被測物體的運動速度。激光多普勒常見的測量模式有三種：雙光束差動模式、參考光模式和自混合模式，其中參考光模式適合測量車式載體自身的速度。這是因為，雙光束差動模式不能進行離焦測量(待測體必須始終位于兩束光的相交區)，而車式載體在運行過程的顛簸搖擺，會改變探頭到地面的距離；自混合模式，由于它是通過檢測激光器后端輸出光強的波動頻率進行測量的，所以當工作電流和外界溫度發生改變時，光強也會相應地改變，這將嚴重影響多普勒頻率測量精度。

傳統參考光模式激光多普勒測速儀的光路結構如圖1所示，激光器出射的激光束被分成等光強的兩束，一束作為參考光被全反鏡返回入射到探測器；另一束作為信號光經被測物體散射沿原路返回，最終與參考光在探測器的光敏面上進行混頻。根據多普勒效應可知，信號光與參考光的頻率差即多普勒頻率與物體運動速度成正比，兩者之間的關系為

式中,fD是多普勒頻率，v是待測物體的運動速度，θ是測速系統的發射傾角，λ是激光束的波長。通過探測多普勒頻率即可解算出物體的運動速度

由光路結構分析可知，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，這會大大影響多普勒信號的強度。由于信號光兩次經過分束器，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 傳統參考光模式激光多普勒測速儀光路結構Fig.1 Optical structure of conventional reference-beam LDV

為了解決傳統參考光束型激光多普勒測速儀中光能利用率低的問題，文章基于分光再利用的思想，設計了新型光路結構的LDV，如圖2所示。新型結構的LDV將傳統參考光模式中本振光路中的衰減片換成一個 45°放置的高反射率鏡片 BS2，這樣一方面既保持了原結構中參考波與回波強度匹配的優點；另一方面，通過增加高反鏡M3和中心帶孔的高反鏡M4使得原結構中被衰減片衰減掉的那部分光又重新被利用起來，大大增強了探測光的光強，從而提高了回波信號的強度，也進一步提高了測量準確性。

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

1.2 LDV與捷聯慣導組合進行航跡推算

新型結構的LDV測量精度高，數據有效性好，所以可以用其與捷聯慣導組合進行航跡推算，組合系統的結構框圖如圖3所示。首先捷聯慣導需要在靜態條件下依靠GPS的位置信息進行快速對準；其次由于 LDV在安裝過程中存在安裝誤差角，這就導致LDV的比例因子存在安裝誤差，需要借助車式載體運行直線，根據運行距離來標定LDV的比例因子，最后利用捷聯慣導的航向信息和LDV的速度信息進行航跡推算。

圖3 LDV與捷聯慣導組合系統的結構框圖Fig.3 Structure of the integrated system using LDV together with strapdown inertial navigation

2 實驗結果與分析

利用所設計的分光再利用型激光多普勒測速儀測量轉臺的轉速，這里轉臺是瑞士生產的高精度速率轉臺，轉速穩定性高達 10-5。通過軟件控制轉臺在某一恒定的轉速下轉動，并將測速儀的測量結果與設定值比較，得到速度測量的相對誤差曲線，如圖4所示。根據 1 h的實驗結果計算得出 LDV的測量精度為0.285%，因此可將它用于車載慣性導航系統。

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

將慣性測量單元(inertial measurement unit，IMU)、LDV、GPS安裝在車式載體上進行了車載實驗(跑車路線如圖5所示)。實驗中使用的GPS的定位誤差小于5 m，動態速度誤差小于0.05 m/s。跑車過程中以GPS得到的速度為參考，分析捷聯慣導和LDV的速度誤差，并以GPS得到的位置為基準計算捷聯慣導和組合系統航跡推算的位置誤差。

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

圖5 車式載體運行路線Fig.5 Running path of the vehicle

圖6 GPS、IMU和LDV速度測量結果.;Fig.6 Velocity measurement results of GPS, IMU and LDV.

圖7為航跡推算的結果，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組合系統航跡推算的位置誤差曲線。

由圖6(a)可知，三種設備所測得的速度值大致吻合。圖6(b)顯示IMU的速度測量誤差比LDV的速度誤差大，其中IMU的速度誤差是發散的，LDV速度值的離散性較好，這主要是因為IMU存在誤差累積，而LDV沒有誤差積累的過程。圖6(b)中存在毛刺是因為車式載體在運行過程中GPS出現了丟星現象。

根據圖7中航跡推算的結果可知，由于IMU存在誤差累積效應，純捷聯慣導2 h的位置誤差較大，為1166 m；而 LDV與捷聯慣導組合系統的位置誤差較小，為20 m。LDV與捷聯慣導組合，大大抑制了捷聯慣導的誤差累積效應，提高了導航精度。

圖7 航跡推算結果Fig.7 Navigation results

3 結 論

文章所設計新型光路結構的 LDV具有測量精度高、光能利用率高及穩定性好的特點，將其與捷聯慣導組合可以大大抑制導航系統的誤差累積效應，提高了導航精度。另外，由于所設計的LDV是一維結構，因此跑車過程中車式載體的上下顛簸會引入一定的速度誤差，這也是 LDV的測速精度在跑車實驗中不如實驗室的主要原因。下一步的主要工作是設計實現二維結構的LDV，用其與捷聯慣導組合必將進一步提高導航的精度。

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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 系 人：龍興武（1958—），教授，博士生導師。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

國防自然科學基金項目（61308060）

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