时间/h 时间/h
速度/(km/h)
台，转速稳定性高达 10-5。通过软件控制转台在某一
(a) (a)
相对误差/%
三种设备所得速度曲线
Velocity curves of the three devices,
时间/s
图4
LDV 速度误差曲线
时间/h
Fig.4 Velocity error of LDV
图2
分光再利用型激光多普勒测速仪的光路布置
fD
2v cos

(1)
Fig.2 Optical arrangement of split-reuse type LDV
式中, f D 是多普勒频率，v 是待测物体的运动速度，
是测速系统的发射倾角， 是激光束的波长。通过探 测多普勒频率即可解算出物体的运动速度
(College of Optoelectronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China) Abstract: 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. Key words: laser Doppler velocimeter; strapdown inertial navigation; split-reuse type; dead reckoning 随着惯性技术的飞速发展，导航系统越来越广泛 地引起人们的重视，已成功应用于军用与民用的众多 技术领域中，如宇宙飞船、火箭、导弹、飞机、坦克、 舰船等各种运载器上。作为最有发展前途的一种导航 系统，惯性导航系统(inertial navigation system，INS) 具有完全自主、隐蔽性好、不依赖环境条件、抗干扰 能力强等诸多优点。但是 INS 的误差随时间积累，这 就导致它的定位误差随工作时间而发散 。 为了提高导航精度， 对于车载惯性导航系统而言，
[1]
零速修正技术[2-4]已经得到了广泛的应用，但是它需要 车式载体周期性地停止， 这大大影响了载体的灵活性和 机动性。另外，里程计、多普勒计程仪和白光测速仪也 常常被用来与捷联惯导系统进行组合导航[5-7]，但是它 们都存在固有的缺陷。 里程计受地面环境影响较大， 车 轮跳动、 打滑及变形都会给测量带来误差。 多普勒计程 仪通常以声波或微波为媒介，而声波或微波的方向性 差，从而导致其测量精度不高。白光测速仪是基于空 间滤波技术，它的测量景深非常小，信号丢失非常严
图1 Fig.1
传统参考光模式激光多普勒测速仪光路结构
Optical structure of conventional reference-beam LDV
为了解决传统参考光束型激光多普勒测速仪中光 能利用率低的问题，文章基于分光再利用的思想，设 计了新型光路结构的 LDV，如图 2 所示。新型结构的 LDV 将传统参考光模式中本振光路中的衰减片换成 一个 45°放置的高反射率镜片 BS2，这样一方面既保 持了原结构中参考波与回波强度匹配的优点；另一方 面，通过增加高反镜 M3 和中心带孔的高反镜 M4 使 得原结构中被衰减片衰减掉的那部分光又重新被利用 起来，大大增强了探测光的光强，从而提高了回波信 号的强度，也进一步提高了测量准确性。
图 7 为航迹推算的结果， 其中图 7(a)是 IMU 航迹 推算的位置误差曲线，图 7(b)是 LDV 与 IMU 组合系 统航迹推算的位置误差曲线。
纬度/(°)
纬度/(°)
经度/(°)
图3 Fig.3
LDV 与捷联惯导组合系统的结构框图
经度/(°)
Hale Waihona Puke Structure of the integrated system using LDV together with strapdown inertial navigation
图 5 车式载体运行路线 Fig.5 Running path of the vehicle
v
fD 2 cos
(2)
由光路结构分析可知，为了与微弱的散射回波匹 配而获得较高的外差效率，参考光的主要能量被衰减
512
中国惯性技术学报
第 22 卷
运行直线，根据运行距离来标定 LDV 的比例因子， 最后利用捷联惯导的航向信息和 LDV 的速度信息进 行航迹推算。
其中图 6(a)是三种设备所得的速度曲线， 图 6(b)是以 GPS 测得的速度值为参考，IMU 及 LDV 的速度误差曲线。
第4期
聂晓明等：基于外推和级联积分梳状滤波器的多普勒插值方法
511
重， 常用的软件补偿方式使得其测量精度得不到保证。 自从 1964 年 Yeh 等人证实了可利用激光多普勒 频移技术来确定流体速度[8]，激光多普勒测速仪(laser Doppler velocimeter, LDV)就以其测量精度高、线性度 好、动态响应快、测量范围大及非接触测量等特点在 航空、航天、机械、能源等领域得到快速的发展[9-11]。 然而，针对实际应用环境，LDV 在信号丢失、测量景 深与精度不足、稳定性差等方面的困难，导致其在惯 性导航系统中迟迟得不到应用。为了对车载惯性导航 系统进行速度校准与修正，本文设计分光再利用型激 光多普勒测速仪并将其与捷联惯导组合导航，在不影 响载体灵活性、机动性的基础上大大提高导航精度。
1.2 LDV 与捷联惯导组合进行航迹推算 新型结构的 LDV 测量精度高，数据有效性好， 所以可以用其与捷联惯导组合进行航迹推算， 组合系 统的结构框图如图 3 所示。 首先捷联惯导需要在静态 条件下依靠 GPS 的位置信息进行快速对准；其次由 于 LDV 在安装过程中存在安装误差角，这就导致 LDV 的比例因子存在安装误差，需要借助车式载体
Split-reuse type laser Doppler velocimeter and its integrated navigation with strapdown inertial navigation
NIE Xiao-ming, ZHOU Jian, WEI Guo, LONG Xing-wu
第 22 卷第 4 期 2014 年 8 月 文章编号： 1005-6734(2014)04-0510-04
中国惯性技术学报 Journal of Chinese Inertial Technology
Vol.22 No.4 Aug. 2014 doi: 10.13695/ki.12-1222/o3.2014.04.016
收稿日期：2014-01-30；修回日期：2014-06-16 基金项目：国防自然科学基金项目（61308060） 作者简介：聂晓明（1986—） ，男，在读博士生，主要从事光学检测技术方面的研究。E-mail：thudpim@ 联 系 人：龙兴武（1958—） ，教授，博士生导师。E-mail：xwlong110@
Fig.6
速度差/(km/h)
(b) IMU、LDV 速度误差曲线 (b) Velocity error curves of IMU and LDV compared with GPS 图6 GPS、IMU 和 LDV 速度测量结果.;
Velocity measurement results of GPS, IMU and LDV.
了，激光束的能量没有得到充分利用，这会大大影响 多普勒信号的强度。由于信号光两次经过分束器，依 次是透射和反射，所以并不能通过改变分束器分束比 的方式来提高光能利用率。
1 LDV 基本原理及其与捷联惯导组合进行航迹推算
1.1 分光再利用型激光多普勒测速仪的基本原理 激光多普勒测速技术是基于光学多普勒效应，利 用运动物体散射光的多普勒频移与其运动速度之间的 线性关系，通过探测多普勒频率检测出被测物体的运 动速度。激光多普勒常见的测量模式有三种：双光束 差动模式、参考光模式和自混合模式，其中参考光模 式适合测量车式载体自身的速度。这是因为，双光束 差动模式不能进行离焦测量( 待测体必须始终位于两 束光的相交区)，而车式载体在运行过程的颠簸摇摆， 会改变探头到地面的距离；自混合模式，由于它是通 过检测激光器后端输出光强的波动频率进行测量的， 所以当工作电流和外界温度发生改变时，光强也会相 应地改变，这将严重影响多普勒频率测量精度。 传统参考光模式激光多普勒测速仪的光路结构如 图 1 所示， 激光器出射的激光束被分成等光强的两束， 一束作为参考光被全反镜返回入射到探测器；另一束 作为信号光经被测物体散射沿原路返回，最终与参考 光在探测器的光敏面上进行混频。根据多普勒效应可 知，信号光与参考光的频率差即多普勒频率与物体运 动速度成正比，两者之间的关系为