Author Affiliations
Abstract
1 College of Advanced Interdisciplinary Studies, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 Nanhu Laser Laboratory, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
A water track laser Doppler velocimeter (LDV) is developed with advantages of high update rate, high real-time performance, high concealment, light weight, and small dimensions. The water track LDV measures the advance velocity of the underwater vehicle with respect to the surrounding water. The experimental results show that the water track LDV has an accuracy of 96.4% when the moving velocity of the vehicle with respect to the ground exceeds 0.25 m/s. Thus, the water track LDV is promising in the application of underwater navigation to aid the strapdown inertial navigation system.
laser Doppler velocimeter water track underwater navigation Chinese Optics Letters
2023, 21(9): 090005
1 国防科技大学前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
无人机（UAV）通常利用全球导航定位系统（GNSS）提供的速度、位置等信息来保障其飞行安全，但GNSS的信号在复杂的城市环境中容易因高楼、树木遮挡等原因丢失，而机载激光多普勒测速仪（LDV）有望实现UAV的全天时独立高精度速度测量，从而保证导航信息的连续性。从目前实现机载LDV研制存在的瓶颈出发，通过理论分析和仿真计算，提出利用光学变换系统对机载LDV的工作距离进行拓展的方案；并对变换系统的参数进行了优化，集成了工作距离定标为50 m、测量景深为10 m的单波束机载LDV样机，将其搭载在UAV上进行了110 s的飞行实验。实验测得的UAV飞行速度经过俯仰角修正后，与GNSS记录的参照速度基本一致。飞行过程中样机输出的速度信号保持了较高的多普勒信号品质因子，初步验证了机载LDV的可行性和有效性，为后续机载LDV在UAV组合导航中的应用奠定了基础。
光学测量 激光多普勒测速仪 测速导航 无人机 光学学报
2023, 43(17): 1712002
1 国防科技大学 前沿交叉学科学院，湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 南湖之光实验室，湖南 长沙 410073
激光多普勒测速技术以其高精度和高可靠性得到广泛应用，其为运动载体的导航定位提供了一种全新的独立测速手段，在提高定位精度方面发挥了重要作用。随着应用场景的拓展，现有的激光多普勒测速技术亟待进一步的发展和优化。文中从激光多普勒测速仪(Laser Doppler Velocimeter, LDV)的测速原理、种类分类和导航应用研究现状三个方面入手，对用于运动载体导航定位的LDV技术进行综述。可以看到，利用LDV进行组合导航的航迹推算精度已经优于0.01%，达到了高精度导航定位的要求，其中单光束LDV比双光束LDV更适合车载应用，能敏感更多维度速度分量的LDV对导航精度提高的效果更明显。同时，对LDV后续的发展方向进行了展望，LDV与更低成本的SINS进行组合导航是下一步值得研究的方向。可以预见，LDV有望在未来成为覆盖高低速测量、海陆空全领域的高精度独立测速装置，在解决实际科学和工程问题中发挥更大、更重要的作用。
光学测量 激光多普勒测速仪 导航定位 运动载体 optical measurement laser Doppler velocimeter navigation and localization moving vehicles 红外与激光工程
2023, 52(6): 20230143
国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
为了提升多普勒信号的有效性,增加激光多普勒测速仪的工作距离和可测量范围,提出了一种基于液体透镜的品质因子增强技术。对多普勒信号的品质因子分布进行了理论分析,然后以高斯光学为理论基础,对基于液体透镜的激光多普勒测速仪出射高斯光束的腰斑位置和大小进行了仿真分析。最后搭建了基于液体透镜的激光多普勒测速系统,对不同驱动电流下的品质因子进行了测量。理论分析和实验结果表明:通过改变液体透镜的驱动电流,多普勒信号的品质因子显著增加,大幅提升激光多普勒测速仪的工作距离和可测量范围。
测量 激光多普勒测速仪 品质因子 液体透镜 驱动电流 工作距离 可测量范围
1 南京理工大学机械工程学院, 江苏 南京 210094
2 国防科技大学前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
为了提高车辆在行驶过程中的测量精度,提出一种利用二维激光多普勒测速仪(2D LDV)和捷联惯性导航系统(SINS)建立新的组合导航系统的方法。阐述了2D LDV的基本原理,并且详细讨论了由2D LDV和SINS组成的新的组合导航系统进行位置解算的过程。理论及实验结果表明:新的组合导航系统很好地抑制了纯惯性导航误差发散的特性;相比于由一维激光多普勒测速仪构成的组合导航系统,2D LDV提高了载体速度测量的精度,从而进一步提高了组合系统的导航精度。新的组合导航系统两次实验在2.2 h内的定位误差分别只有5.9 m和5.2 m。
遥感 二维激光多普勒测速仪 捷联惯性导航系统 组合导航系统 位置解算
国防科技大学 前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
在陆用组合导航领域, 激光多普勒测速仪作为速度传感器能够与捷联惯导系统组成组合导航系统。为了抑制车辆颠簸引起的倾角变化对传统激光多普勒测速仪的影响, 文中给出了基于Janus配置的分光再利用型激光多普勒测速仪。针对其与惯导系统组合导航过程中该配置结构测速仪的误差参数, 文中首先推导了该测速仪的速度误差模型, 在此基础上提出了差分GPS辅助的Kalman滤波标定法。实施了仿真及车载组合导航实验验证该方法的有效性。实验结果表明: 文中提出的标定方法是有效的, 误差参数补偿后的Janus配置激光多普勒测速仪能够大大提高组合导航定位精度。
激光多普勒测速仪 Janus配置 标定方法 Kalman滤波 组合导航系统 laser Doppler velocimeter Janus configuration calibration method Kalman filtering integrated navigation system 红外与激光工程
2019, 48(4): 0417003
1 湖南省计量检测研究院, 湖南 长沙 410073
2 国防科技大学 前沿交叉学科学院, 湖南 长沙 410073
为了减小由车式载体上下颠簸而引入的测量误差, 设计了二维结构的激光多普勒测速仪2-D LDV(laser Doppler velocimeter), 并将其与捷联惯导组合导航。阐述了二维激光多普勒测速技术的基本原理, 详细讨论了其与捷联惯导组合的具体结构并进行了车载实验。理论和实验结果表明: 2-D LDV减小了由于车辆上下颠簸而引入的测量误差, 进一步提高了导航精度。车辆行驶总里程为29.67 km, 纯捷联惯导的位置误差为936 m, 1-D LDV/SINS组合系统的位置误差17.2 m, 而2-D LDV/SINS组合系统的位置误差仅有7.1 m, 相对于1-D LDV/SINS, 2-D LDV/SINS更适合于车载组合导航系统。
二维激光多普勒测速仪 捷联惯导 组合导航 上下颠簸 two dimensional laser Doppler velocimeter strapdown inertial navigation integrated navigation jolt up and down 红外与激光工程
2018, 47(12): 1217008
国防科技大学 前沿交叉学科学院, 长沙 410073
为了抑制车辆颠簸、倾角变化对传统激光多普勒测速仪的影响, 设计了基于Janus配置的分光再利用结构激光多普勒测速仪, 该测速仪由两个激光多普勒测速仪子系统镜像安装而成, 可补偿倾角变化对速度测量的影响, 因此对倾角变化不敏感.车载实验结果表明该测速仪的测速相对误差为0.3%, 在55.6 km的行程中组合导航的最大位置误差为5.8 m.该结构激光多普勒测速仪能够抑制车辆颠簸、倾角变化对速度测量的影响, 提高组合导航定位精度, 更适合陆用组合导航.
应用光学 激光多普勒测速仪 Janus配置 速度测量 分光再利用 惯性导航系统 组合导航系统 定位精度 Applied optics Laser Doppler velocimeters Janus configuration Velocity measurement Split-reuse Inertial navigation systems Integrated navigation systems Positioning accuracy
国防科技大学 前沿交叉学科学院, 长沙 410073
为了有效抑制激光多普勒测速仪输出数据的随机漂移, 提高其测量精度, 在传统时序模型的基础上采用新陈代谢双时序模型进行激光多普勒测速仪漂移数据滤波.该模型由两级新陈代谢时序模型级联而成, 每一级新陈代谢时序模型均依次对13个数据点时序建模.依据此模型分别对激光多普勒测速仪静态及动态漂移数据进行建模和滤波.利用方差分析法及Allan方差法对滤波前后的测速仪静态漂移数据进行分析并利用频谱分析法对比了滤波前后的测速仪动态漂移数据.结果表明：新陈代谢双时序模型将静态漂移数据标准差减小为原始数据的44%, 将角度随机游走降为原始数据的41%; 该方法不仅能实时降低激光多普勒测速仪的静态随机漂移误差, 而且能够实时有效抑制其动态输出噪声.
应用光学 时序分析 新陈代谢双时序模型 激光多普勒测速仪 静态数据 动态数据 方差分析法 Allan方差 频谱分析 Applied optics Time series analysis Metabolic double time series model Laser Doppler velocimeters Static data Dynamic data Variance analysis Allan variance Spectrum analysis
国防科技大学前沿交叉学科学院， 湖南 长沙 410073
为了抑制车辆颠簸及载重变化对一维激光多普勒测速仪的影响，设计了一种二维激光多普勒测速仪。针对其使用过程中的误差参数，提出了一种差分全球定位系统辅助的Kalman滤波标定方法，并设计了车载组合导航实验验证了该方法的有效性。由补偿后的二维激光多普勒测速仪与陀螺数据航迹推算的最大水平位置和最大高度的误差分别为5.5 m和0.36 m。结果表明，该标定方法是有效的，补偿后的二维激光多普勒测速仪能大大提高导航的水平定位精度，且能给出高精度的高度信息。
测量 二维激光多普勒测速仪 标定方法 Kalman滤波 组合导航系统 航迹推算
