载体振动对差动激光多普勒测速仪的影响

　 激光多普勒技术由于具有高的空间和时间分辨力、不接触测量等优点,因而发展迅速并形成了完善的理论体系,得到了广泛的应用[1-5]。与参考光及自混合模 式相比,双光束差动方式测速具有突出的优点:其信号与接收方向无关,可以在任意方向上接收,并且测量精度较高[6]。目前,车载自主惯性导航系统的速度参 数是由加速度计来提供的,而加速度计存在两个方面的缺点:一方面,测量的是载体的视加速度,而不是绝对加速度,还需要通过计算出引力场产生的加速度,才能 得到载体的绝对加速度值,计算复杂;另一方面,由于是通过质量体进行测量的,存在受过载影响的误差项[7-8]。因此,可以将双光束差动LDV应用于车载 自主惯性导航系统,为其提供精确的速度参数,但是,当地面凹凸不平时,车式载体就会上下振动,导致LDV存在一定的俯仰角,给速度测量带来较大的误差。为 此,本文分析了车式载体振动时差动LDV的测速误差,借鉴了毫米波、声波计程仪中的Janus配置技术[9-10],提出基于Janus配置的差动 LDV,并对其工作原理和测速误差进行理论分析和数值仿真。

    1　传统的差动激光多普勒测速仪

　 激光多普勒测速技术是利用运动微粒的多普勒频移来获得速度信息的。传统差动LDV的光路布置如图1所示。单纵模固体激光器的输出功率为50 mW,出射激光经过准直镜准直后,被分光棱镜分成等强度、等光程的两束光。为了增大控制体(两光束的相交区)的体积,使用光束压缩镜压缩两光束的直径。聚 焦透镜将其汇聚于地面上,当载体运动时,包含多普勒频移信息的部分散射光被接收透镜接收并会聚于雪崩二极管模块的光敏面上。雪崩二极管模块输出的多普勒信 号,由数据采集卡PCIDAS-4020进行实时采集并传送至PC机,完成对采集信号的跟踪滤波及快速傅里叶变换(FFT),信号频谱中峰值谱对应的频率 就是多普勒频率,其大小与载体的运动速度成正比,即

式中:fD为多普勒频率;v是车式载体的运动速度;κ为两光束的夹角;λ激光器出射激光的波长。

　 当车式载体在理想、平整的路面上运行时,如图2(a)所示,由式(1)

可知,载体的运行速度为

　 而当车式载体在实际行驶过程中,由于地面凹凸不平,载体上下振动,系统存在一定的俯仰角,且在竖直方向上有一定的起伏速度,如图2(b)所示,此时多普勒频率为式

式中:Δθ为系统的俯仰角;vz为系统在竖直方向上的起伏速度。此时,载体的运行速度为

则速度测量的相对误差为

     2　Janus配置的差动激光多普勒测速仪