用于車(chē)載自主導(dǎo)航系統(tǒng)激光測(cè)速技術(shù)研究.pdf

1、慣性導(dǎo)航系統(tǒng)以其完全自主、不受外界干擾、隱蔽性好、可以同時(shí)輸出載體位置、速度以及姿態(tài)等優(yōu)點(diǎn)獲得了廣泛的應(yīng)用。然而，純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)由于初始對(duì)準(zhǔn)誤差、慣性器件誤差以及計(jì)算誤差的存在，其定位誤差隨時(shí)間呈現(xiàn)發(fā)散趨勢(shì)。激光多普勒測(cè)速技術(shù)具有測(cè)量精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、測(cè)量范圍大、測(cè)量線性度好等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)今速度測(cè)試領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，可用于速度-慣性組合導(dǎo)航系統(tǒng)。本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，對(duì)車(chē)載激光多普勒測(cè)速儀的原理、光路結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)

2、研究，并進(jìn)行了初步的車(chē)載激光測(cè)速儀與慣性測(cè)量單元的組合導(dǎo)航實(shí)驗(yàn)。
　　由于純慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的定位誤差隨時(shí)間呈發(fā)散趨勢(shì)，為提高載體自主導(dǎo)航精度，提出將激光測(cè)速儀與慣性測(cè)量單元組成組合導(dǎo)航系統(tǒng)，從光路結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理方法、應(yīng)用領(lǐng)域三個(gè)方面回顧了激光多普勒測(cè)速技術(shù)的發(fā)展過(guò)程并介紹了國(guó)內(nèi)外該領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀。
　　闡述了由于光源與接收器間相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的光學(xué)多普勒效應(yīng)的原理，以及激光多普勒自主測(cè)量車(chē)式載體速度的基本原理。對(duì)比直接光譜探測(cè)與光

3、學(xué)外差探測(cè)技術(shù)，指出光學(xué)外差探測(cè)技術(shù)用于激光多普勒測(cè)量中的多普勒頻率探測(cè)具有的優(yōu)勢(shì)，論述了基于光學(xué)外差技術(shù)的平衡探測(cè)原理。
　　針對(duì)參考光結(jié)構(gòu)光能利用率低、信噪比差的不足，提出了分光再利用光路結(jié)構(gòu)，提高了激光測(cè)速系統(tǒng)的信噪比；針對(duì)雙光束差動(dòng)以及多點(diǎn)分層光路系統(tǒng)中多普勒頻率受光源波長(zhǎng)漂移影響的問(wèn)題，提出了波長(zhǎng)不敏感光路結(jié)構(gòu)；針對(duì)高速測(cè)量時(shí)，經(jīng)典激光測(cè)速系統(tǒng)多普勒頻率太大以致難以或者無(wú)法測(cè)量的問(wèn)題，提出了基于雙縱模激光器的雙探測(cè)器光路

4、結(jié)構(gòu)。討論了多維速度測(cè)量方案以及速度方向辨別原理。
　　在建立了激光多普勒信號(hào)模型的基礎(chǔ)上，提出了用于激光多普勒信號(hào)處理的一體化解決方案。通過(guò)信號(hào)調(diào)理、多普勒頻率解算、結(jié)果輸出三個(gè)單元組成完整的信號(hào)處理方案。其中信號(hào)調(diào)理單元實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換、電流電壓轉(zhuǎn)換、電壓前置放大以及模擬數(shù)字量轉(zhuǎn)換的功能；多普勒頻率解算單元通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理芯片，基于快速傅里葉變換、頻譜細(xì)化、頻率校正等技術(shù)實(shí)現(xiàn)快速準(zhǔn)確的多普勒頻率解算；信號(hào)輸出單元通過(guò)有效性判據(jù)判別

5、多普勒信號(hào)有效與否，并作出相應(yīng)的輸出。針對(duì)載體加速度較大時(shí)出現(xiàn)的非平穩(wěn)激光多普勒信號(hào)，提出將希爾伯特-黃變換用于速度和加速度的解算，仿真表明通過(guò)總體經(jīng)驗(yàn)?zāi)B(tài)分解以及瞬時(shí)頻率，通過(guò)擬合可以解算出速度和加速度。
　　系統(tǒng)、定量地分析了車(chē)載激光多普勒測(cè)速儀的誤差源，并針對(duì)各種誤差源提出了抑制或消除措施。在研究分析激光測(cè)速光路結(jié)構(gòu)、信號(hào)處理方案、誤差項(xiàng)及控制措施的基礎(chǔ)上，研制出基于分光再利用光路結(jié)構(gòu)的一維、二維車(chē)載激光多普勒測(cè)速儀工程樣機(jī)

6、。系統(tǒng)信號(hào)處理硬件實(shí)現(xiàn)通過(guò)DSP+FPGA+高速AD實(shí)現(xiàn)，其中AD負(fù)責(zé)激光多普勒信號(hào)的數(shù)模轉(zhuǎn)換及量化，DSP負(fù)責(zé)核心的信號(hào)處理算法實(shí)現(xiàn)， FPGA作為DSP從AD轉(zhuǎn)換芯片接收數(shù)據(jù)的緩存以及輸出接口的數(shù)據(jù)發(fā)送。為評(píng)價(jià)所研制激光測(cè)速儀的性能，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的高精度轉(zhuǎn)臺(tái)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所研制激光測(cè)速儀測(cè)量精度優(yōu)于0.08％；測(cè)量線性度優(yōu)于0.082%；測(cè)量速度下限為0.0678m/s。為評(píng)價(jià)車(chē)載激光測(cè)速儀用于實(shí)際路面車(chē)輛速度測(cè)量的動(dòng)態(tài)測(cè)量

7、可行性，進(jìn)行了與GPS以及美國(guó)Beta laserMike公司高精度激光表面速度儀的對(duì)比測(cè)量實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：所研制激光測(cè)速儀相較于GPS自主性好、數(shù)據(jù)更新頻率高；相較于Beta laserMike測(cè)速儀具有信號(hào)丟失率低的優(yōu)點(diǎn)，適合于實(shí)際路面上的車(chē)載自主速度測(cè)量。進(jìn)行了普通柏油路、泥濘草地、大石子路上等不同路況下的車(chē)載速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文所研制激光測(cè)速儀可以適應(yīng)不同表面性質(zhì)路況的車(chē)載速度測(cè)量。
　　開(kāi)展了車(chē)載激光測(cè)速儀