基于激光陀螺的變形測(cè)量系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)＊

馬馳新 劉素珍

（92941部隊(duì)95分隊(duì) 葫蘆島 125001)

1 引言

艦船甲板變形［1］的原因包括三個(gè)方面：一是由于艦艇載荷的變化導(dǎo)致重力分布發(fā)生變化；二是溫度變化、艦船鋼板疲勞和結(jié)構(gòu)變化；三是平臺(tái)運(yùn)動(dòng)過程中收到海浪沖擊、武器發(fā)射產(chǎn)生的沖擊，導(dǎo)致平臺(tái)撓曲。其主要影響是造成用戶設(shè)備所處地域安裝的導(dǎo)航設(shè)備或武器裝備的水平、方位基準(zhǔn)與艦船主慣導(dǎo)部位的水平、方位基準(zhǔn)［2］間出現(xiàn)偏差，直接影響試驗(yàn)和使用效果。艦船變形對(duì)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)海上試驗(yàn)影響很大，但其破壞作用主要發(fā)生在被試慣性導(dǎo)航系統(tǒng)中具有零位基準(zhǔn)的設(shè)備安裝基座和測(cè)量設(shè)備安裝基座的局部變形?；诩す馔勇菰淼淖冃螠y(cè)量系統(tǒng)就是為消除其對(duì)試驗(yàn)的影響而設(shè)計(jì)的。

2 激光陀螺工作原理

激光陀螺是一種光學(xué)陀螺，通過光波頻率差測(cè)量角速度，是一種新型的慣性器件［3］。把一個(gè)光學(xué)頻率的振蕩器組裝成一個(gè)激光器［4］?？捎?面鏡子構(gòu)成三角形的光路。如果在光路的任何一點(diǎn)上產(chǎn)生一條光束，它便可以沿著這條閉合光路船舶，一次在每個(gè)鏡面處反射，然后又回到起始點(diǎn)。當(dāng)返回的的光束與發(fā)出的光束相同時(shí)，便會(huì)發(fā)生持續(xù)的光學(xué)震蕩。兩條這樣的光束獨(dú)立形成，一條順時(shí)針方向行進(jìn)，另一條逆時(shí)針方向行進(jìn)。當(dāng)敏感器在慣性空間里固定不動(dòng)時(shí)，兩條光束具有同樣頻率，當(dāng)敏感器繞垂直于光束平面的軸線旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩條光束光程發(fā)生變化。光程較長(zhǎng)的光束頻率降低，另?xiàng)l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(yùn)行所需的諧振條件。

光程微小變化導(dǎo)致頻率的微小變化，差拍頻率Δv表達(dá)式為

式中，A為腔體面積；Ω為敏感器旋轉(zhuǎn)速率；c為光速；L為周長(zhǎng)。

激光陀螺就是通過測(cè)量正反兩束光之間的頻率差來實(shí)現(xiàn)對(duì)輸入轉(zhuǎn)速的測(cè)量［5］。

3 形變測(cè)量的原理

基于激光陀螺具有高精度的角位置測(cè)量能力，通過三個(gè)相互正交安裝的激光陀螺構(gòu)成的組合體（LGU)可精確測(cè)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)形變角的特征，采用左右顧及方法對(duì)產(chǎn)值信息進(jìn)行處理，即可獲得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的形變大小和基準(zhǔn)失準(zhǔn)角。船體角變形測(cè)量方法的基本原理是兩套LGU對(duì)同一船體角運(yùn)動(dòng)矢量進(jìn)行測(cè)量，通過比較兩套系統(tǒng)輸出的角度測(cè)量值的差異，得到船體變形和相互之間的坐標(biāo)關(guān)系，測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 角變形測(cè)量原理圖

→φ為總變形角矢量，→ε1和→ε2分別為激光陀螺測(cè)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(tǒng)設(shè)計(jì)

基于激光陀螺的變形測(cè)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(yōu)于0.1″)測(cè)量能力，通過三個(gè)互相正交安裝的激光陀螺構(gòu)成的組合體（LGU)可精確測(cè)量出所在位置的三維角度矢量，利用兩套LGU分別精確測(cè)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(yùn)動(dòng)平臺(tái)變形角的特征，因此采取最優(yōu)估計(jì)方法對(duì)這個(gè)差值信息進(jìn)行相關(guān)處理［6～7］，即可獲得運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的變形角大小和基準(zhǔn)失準(zhǔn)角。

4.1 變形測(cè)量系統(tǒng)組成

變形測(cè)量系統(tǒng)由兩套LGU（Laster Gyroscope Unit，由三個(gè)相互正交安裝的單軸激光陀螺構(gòu)成的激光陀螺組合體的簡(jiǎn)稱)、三組外部電源、兩部計(jì)算機(jī)、GPS天線和時(shí)統(tǒng)模塊組成。

4.1.1 慣性測(cè)量單元（IMU)設(shè)計(jì)

慣性測(cè)量單元包括三個(gè)二頻機(jī)抖激光陀螺、三個(gè)石英加速度計(jì)、數(shù)據(jù)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(jì)的輸出等；電子線路單元包括旋轉(zhuǎn)控制板和電源模塊。

IMU設(shè)計(jì)為可獨(dú)立拆裝的獨(dú)立組件，可通過四個(gè)螺釘與系統(tǒng)底板固聯(lián)，電氣接口設(shè)計(jì)為一個(gè)可拔插多芯接插件與系統(tǒng)電氣部分相連。在艦船上進(jìn)行更換維護(hù)時(shí)，只需松開四個(gè)螺釘、拔掉接插件即可取下IMU。

IMU內(nèi)部分成兩大部分，即臺(tái)體和支架。其中臺(tái)體用于安裝激光陀螺和加速度計(jì)，支架用于支撐臺(tái)體，臺(tái)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(huán)境之間的噪聲互擾。此外在支架內(nèi)側(cè)表面還可設(shè)置密閉的磁屏蔽材料，將慣性元件與外部磁干擾環(huán)境隔離。

為使安裝誤差標(biāo)定［8］和維修更換有基準(zhǔn)，IMU支架外側(cè)有供定位用的水平和方位基準(zhǔn)靠面。

4.1.2 時(shí)統(tǒng)模塊

圖2 時(shí)統(tǒng)單元組成框圖

時(shí)統(tǒng)模塊包含GPS接收機(jī)，主要作用測(cè)量設(shè)備提供速度數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、秒脈沖和時(shí)標(biāo)信息。利用授時(shí)GPS組成時(shí)統(tǒng)分系統(tǒng)，時(shí)統(tǒng)分系統(tǒng)主要由高穩(wěn)定度晶振、對(duì)時(shí)線路、分頻及計(jì)時(shí)電路、延時(shí)調(diào)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(biāo)輸出的信號(hào)經(jīng)放大整形處理后，進(jìn)入分頻鏈進(jìn)行分頻，得到1Hz的秒信號(hào)，秒脈沖信號(hào)與授時(shí)GPS接收機(jī)輸出的秒同步信號(hào)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。1Hz的秒信號(hào)通過對(duì)時(shí)校時(shí)處理，得到與授時(shí)GPS同步運(yùn)行的時(shí)鐘秒信號(hào)，該時(shí)鐘秒信號(hào)進(jìn)入單片機(jī)進(jìn)行時(shí)間計(jì)數(shù)，得到年月日時(shí)分秒的時(shí)間信號(hào)，1KHz信號(hào)經(jīng)過24bit計(jì)數(shù)器得到毫秒信號(hào)。輸送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)為：年月日、時(shí)分秒、秒信號(hào)及毫秒信號(hào)等。主要技術(shù)指標(biāo)如下：

GPS對(duì)時(shí)誤差 ≤1μs；

B碼對(duì)時(shí)誤差 ≤10μs；

計(jì)時(shí)電路最大延時(shí)誤差 ≤30ns；

延時(shí)調(diào)整范圍 1～999999μs。

4.2 技術(shù)方案

由于主慣導(dǎo)與子慣導(dǎo)［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(píng)價(jià)局部基準(zhǔn)的技術(shù)指標(biāo)，使用變形測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量子慣導(dǎo)的安裝基座與主慣導(dǎo)設(shè)備安裝基座之間的變形。其中LGU1在捷聯(lián)安裝于主慣導(dǎo)設(shè)備旁邊，LGU2捷聯(lián)安裝于子慣導(dǎo)設(shè)備旁邊。數(shù)據(jù)錄取裝置同步錄取子慣導(dǎo)設(shè)備的姿態(tài)、位置及速度信息，主慣導(dǎo)的姿態(tài)、位置及速度信息，GPS時(shí)間信息。設(shè)備安裝示意圖如圖3所示。

圖3 設(shè)備安裝示意圖

4.3 主要戰(zhàn)技指標(biāo)

≤25″（RMS)。

5 變形測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度實(shí)驗(yàn)測(cè)試

5.1 測(cè)試方案

以某型測(cè)量船作為搭載試驗(yàn)平臺(tái)，利用光學(xué)變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為參考基準(zhǔn)檢驗(yàn)激光陀螺自主變形測(cè)量系統(tǒng)精度。兩套LGU分別安裝于聯(lián)合基座上。利用GPS時(shí)統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)時(shí)間同步，利用數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)接收LGU輸出的單個(gè)基座的角度變形量，通過數(shù)據(jù)處理與計(jì)算得到聯(lián)合基座的相對(duì)變形量。光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［10］主要包括發(fā)射模塊、接收模塊和光學(xué)通道，發(fā)射模塊包括平行光管，接收模塊包括CCD成像系統(tǒng)和數(shù)據(jù)解算單元。發(fā)射模塊、接收模塊和LGU一體安裝于聯(lián)合基座上，發(fā)射模塊的平行光管敏感聯(lián)合基座1的縱向和橫向角度變化，接收模塊的CCD成像系統(tǒng)接收平行光管發(fā)射的光線，通過成像計(jì)算后得到兩個(gè)聯(lián)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(jìn)行比對(duì)，從而達(dá)到檢驗(yàn)LGU測(cè)量角度變形量精度的目的。LGU和光學(xué)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝示意圖如圖4所示。

圖4 變形測(cè)量系統(tǒng)與光學(xué)標(biāo)校系統(tǒng)安裝示意圖

5.2 測(cè)試結(jié)果

共進(jìn)行了三個(gè)航次的試驗(yàn)，其中一個(gè)航次試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。從對(duì)比結(jié)果可以看出，光學(xué)變形測(cè)量結(jié)果與自主變形測(cè)量結(jié)果基本一致。試驗(yàn)結(jié)果表明：激光陀螺變形測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量精度優(yōu)于25″。

圖5 自主變形測(cè)量與光學(xué)測(cè)量對(duì)比結(jié)果

6 結(jié)語

本文通過對(duì)甲板相對(duì)變形測(cè)量方法研究及系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要測(cè)量被試裝備和測(cè)試設(shè)備之間的甲板變形，得到艦船航向和姿態(tài)信息真值。對(duì)于完成不同設(shè)備間的相對(duì)變形測(cè)量任務(wù)具有實(shí)際意義。

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