梁大雷，于化鵬，黃 昊

（中國人民解放軍軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院，北京 100071）

1 引 言

慣性導(dǎo)航也稱為自主導(dǎo)航，其不依賴于外部輔助信息，只通過載體本身的慣性參數(shù)測量來完成導(dǎo)航任務(wù)。慣性加速度計是測量運動載體線加速度的儀器，是慣導(dǎo)系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。目前，加速度計的類型主要有擺式積分陀螺加速度計、撓性擺式加速度計、石英振梁式加速度計、硅微機(jī)械加速度計、微光學(xué)加速度計、原子加速度計和光力學(xué)加速度計等。不同種類的慣性加速度計性能等級劃分、技術(shù)發(fā)展階段如圖1 所示[1]。

圖1 慣性加速度計等級劃分及技術(shù)發(fā)展Fig. 1 Class division and technology development of inertial accelerometers

擺式積分陀螺加速度計的精度為10-8～10-5g，是技術(shù)成熟且精度最高的機(jī)械式加速度計，目前應(yīng)用于洲際彈道導(dǎo)彈和大型運載火箭的慣性制導(dǎo)系統(tǒng)[2]；撓性擺式加速度計包括石英、金屬和硅基撓性加速度計，精度為10-6～10-3g，主要應(yīng)用于海陸空導(dǎo)航和戰(zhàn)術(shù)級至導(dǎo)航級導(dǎo)彈制導(dǎo)等領(lǐng)域；石英振梁加速度計抗環(huán)境噪聲能力較強(qiáng)，相對于石英撓性加速度計精度稍高，可應(yīng)用于導(dǎo)航級慣性系統(tǒng)[3]；微機(jī)電（MEMS）加速度計具有體積小、成本低和集成化程度高等突出優(yōu)點。高精度的MEMS 加速度計已有成熟產(chǎn)品的精度為10-4～10-2g，諧振式的精度可達(dá)到10-6g，但還處于實驗室研究階段，未來的發(fā)展趨勢是實現(xiàn)高精度加速度計芯片[4]。

隨著硅光集成技術(shù)的發(fā)展，融合光學(xué)效應(yīng)傳感和微加工技術(shù)的微光學(xué)加速度計快速發(fā)展起來。微光學(xué)加速度計具有體積小、精度高和抗電磁干擾等優(yōu)點，有望用于中、高精度慣性導(dǎo)航領(lǐng)域[5]。原子干涉加速度計是利用物質(zhì)波干涉技術(shù)的新型慣性器件，具有超高的長期穩(wěn)定性，精度可以達(dá)到10-9g[6]。近年來，有學(xué)者提出基于光力懸浮微球介質(zhì)的懸浮光力學(xué)加速度計和基于光場與機(jī)械結(jié)構(gòu)相互耦合的腔光力學(xué)加速度計。光力學(xué)加速度計可接近甚至突破標(biāo)準(zhǔn)量子極限，是與原子干涉加速度計精度相當(dāng)?shù)南乱淮呔燃铀俣扔?，發(fā)展?jié)摿薮骩7]。

慣性導(dǎo)航技術(shù)為我國航海事業(yè)的發(fā)展提供了關(guān)鍵的技術(shù)支撐，基于海上平臺慣性測量和海上平臺輔助保障系統(tǒng)對高精度慣性器件的迫切需求，本文主要歸納了光力學(xué)加速度計的研究現(xiàn)狀，對其在海上平臺實際應(yīng)用場景的可行性進(jìn)行了分析，論述了海上平臺應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展路線，目的在于推動光力學(xué)加速度計走向?qū)嶋H工程應(yīng)用。

2 光力學(xué)加速度計研究現(xiàn)狀

近年來，隨著量子光學(xué)、微腔光子學(xué)和微光機(jī)電技術(shù)的快速發(fā)展，光力學(xué)與慣性技術(shù)的結(jié)合催生了光力慣性傳感技術(shù)。光力學(xué)加速度計根據(jù)光力傳感系統(tǒng)的不同，可分為光阱懸浮式和光學(xué)微腔式兩類[8]。目前，關(guān)于光力學(xué)加速度計的研究主要處于原理驗證階段，圖2 總結(jié)了其國外研究現(xiàn)狀，表1 總結(jié)了其加速度噪聲水平[9-20]。

圖2 光力學(xué)加速度計研究現(xiàn)狀Fig. 2 Research status of optomechanical accelerometer

由表1 可見，國外光力學(xué)加速度計最早于2001 年問世，經(jīng)過各研究機(jī)構(gòu)的探索和優(yōu)化，至2020 年光力學(xué)加速度計測量噪聲已經(jīng)從119 μg/Hz1/2降至32 ng/Hz1/2，性能提升了將近4個數(shù)量級，極具應(yīng)用前景[1]。

表1 國外加速度計噪聲水平Table 1 Noise levels of foreign accelerometers

在國內(nèi)，浙江大學(xué)設(shè)計了多種結(jié)構(gòu)的光阱懸浮光力學(xué)加速度計，開展了理論方法研究和實驗驗證[21-22]。北京航天航空大學(xué)利用射線模型分析了光力學(xué)加速度計的理論精度[23]。國防科大在光力傳感技術(shù)[24]，微球位置探測[25]、內(nèi)腔光阱系統(tǒng)等[26]的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)方面均取得較大進(jìn)展。此外，國防科大設(shè)計了一種微型雙軸光力學(xué)加速度計，實現(xiàn)了0.49 mg的測量分辨率和4.4 mg的零偏穩(wěn)定性[27]。針對光力學(xué)加速度計的小型化應(yīng)用，采用機(jī)械振動方法實現(xiàn)了單微球重復(fù)起支，推動了光力學(xué)加速度計的實用化進(jìn)程[28]。隨著國內(nèi)及國際上研究的深入，光力學(xué)加速度計在樣機(jī)研制、工程應(yīng)用方面將會取得突破性進(jìn)展。

針對當(dāng)前加速度計相對慣性系統(tǒng)組成需求，精度、體積、成本適配性不足的現(xiàn)狀，表2 將光力學(xué)加速度計和傳統(tǒng)加速度計進(jìn)行了對比。傳統(tǒng)加速度計使用的傳感元件主要是在應(yīng)力作用下能明顯發(fā)生形變的器件，通過對形變程度的探測確定加速度的大小[29]。而光力學(xué)加速度計的傳感單元是受光束捕捉的球狀粒子，本質(zhì)是通過光電探測其位移得到加速度值，對粒子加速度變化更加敏感，精度更高。此外，懸浮式、非接觸式的支撐特性克服了傳統(tǒng)加速度計機(jī)械臂安裝對整個系統(tǒng)精度的限制。基于光力學(xué)加速度計的原理特性和超低噪聲、超高靈敏度及ng級的超高精度優(yōu)勢，有望用于長航時自主導(dǎo)航、空間加速度測量等領(lǐng)域[21]。

表2 光力學(xué)加速度計與傳統(tǒng)加速度計比較[29-33]Table 2 Comparison of optomechanical accelerometers with conventional accelerometers[29-33]

3 海上平臺應(yīng)用分析

3.1 海上平臺慣性測量

3.1.1 船載重力測量

船載海洋重力測量是目前獲取高精度、高頻海洋重力場信息的有效方式。由于海上平臺對絕對重力場的測量精度要求較高，測量不確定度為1～2 mGal[34]。一般情況下，依靠傳統(tǒng)加速度計測量重力的難度較大，精度較差，往往需要與航空重力測量、衛(wèi)星測高等相結(jié)合。光力學(xué)加速度計憑借nGal 級的測量精度，使得船載重力測量能夠快速、高效獲取高精度、高分辨率重力數(shù)據(jù)。此外，光力學(xué)加速度計和傳統(tǒng)加速度計組合使用，利用傳統(tǒng)加速度計承擔(dān)大量程測量，由光力學(xué)加速度計提供精確的重力變化值，兩者組合可將測量范圍擴(kuò)展到Gal 量級，滿足海上平臺重力測量需求。

考慮到測量過程中，測量船的橫搖和縱搖會破壞光力學(xué)加速度計的垂直狀態(tài)，均對海洋重力測量有較大影響。只有通過增設(shè)附屬設(shè)備，才能使得加速度計在測量船擺動的狀態(tài)下仍然保持垂直。測量船航向和航速變化產(chǎn)生的水平加速度也會對重力測量結(jié)果產(chǎn)生影響，測量船應(yīng)盡量保持勻速直線運動。同時，光力學(xué)加速度計應(yīng)在結(jié)構(gòu)上采用相應(yīng)的措施，限制傳感器在水平方向的運動，使水平加速度的影響盡可能減小。此外，受波浪的作用，測量船在航行過程中不可避免地產(chǎn)生垂直方向的涌動，該運動導(dǎo)致的垂直附加加速度量級會大大超過加速度計的量程，一般需采用強(qiáng)阻尼的方法來削弱這種周期性垂直加速度的幅度。

3.1.2 大型船只變形分布式測量

目前，船只三維變形精密測量的方法主要包括偏振光能量測量法、大鋼管測量法和攝像測量法等光學(xué)測量方法，以及應(yīng)變傳感器測量法、GPS 測量法和慣性器件測量法等非光學(xué)測量方法[35]。在測量精度方面，大鋼管測量法性能最優(yōu)，可靠性最強(qiáng)，一般優(yōu)于5″，但存在體積大、成本高、安裝維護(hù)不便等問題，導(dǎo)致其不能得到廣泛推廣[35]。目前，慣性器件測量法測量精度為5″～20″，測量距離較長（大于10 m）[36]，但對加速度計精度要求較高。通過在船只關(guān)鍵戰(zhàn)位點安裝由光力學(xué)加速度計和新型光學(xué)陀螺組成的慣性測量單元（IMU），有望進(jìn)一步提升船只三維變形測量精度。

考慮到船只空間有限，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對加速度計尺寸、重量等都有一定要求，且具備與船只甲板面進(jìn)行快速固連的安裝孔及安裝面，這對光力學(xué)加速度計的結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝提出了較高要求。船只在航行時受地磁場磁化影響，加之船只上裝備的大量電機(jī)和線圈機(jī)組會產(chǎn)生感應(yīng)磁場，這些會導(dǎo)致加速度計等慣性測量設(shè)備性能下降，需考慮一定的磁屏蔽措施。此外，IMU 價格昂貴，有時需要多套IMU 對船只多個點位進(jìn)行變形測量，導(dǎo)致測量成本較高。

3.1.3 平臺升沉檢測

海上平臺武器發(fā)射、艦載機(jī)起落和海上工程作業(yè)受海浪引起的隨機(jī)性復(fù)雜升沉運動影響較大。一般情況下，無線電導(dǎo)航、衛(wèi)星定位技術(shù)無法滿足升沉測量厘米級的精度需求，通常采用捷聯(lián)慣導(dǎo)系統(tǒng)測量升沉信息[37]。目前，很多慣性導(dǎo)航系統(tǒng)已經(jīng)具備了升沉測量能力，但多數(shù)產(chǎn)品只能做到對升沉信息一段時間內(nèi)的預(yù)報，且精度有限。光力學(xué)加速度計能夠高精度測量出天向軸的平臺加速度，通過對所測加速度進(jìn)行二次積分，結(jié)合現(xiàn)有的升沉濾波方案，將提高升沉測量精度。

在測量過程中，光力學(xué)加速度計測量結(jié)果隨載體受到?jīng)_擊及振動等干擾會產(chǎn)生隨機(jī)誤差，并且該隨機(jī)誤差在實際應(yīng)用中難以預(yù)測，需采用主動隔振措施滿足高精度測量需求。此外，光力學(xué)加速度計由自身加工工藝不完善導(dǎo)致的刻度系數(shù)誤差和零位誤差，也會影響升沉測量輸出精度。由于升沉測量對傳感器的精度要求較高，提高了慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的成本。目前，對影響升沉信息測量的干擾因素也有待分析，算法也需要進(jìn)一步改進(jìn)。

3.2 海上平臺保障輔助系統(tǒng)

3.2.1 長航時自主導(dǎo)航

慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的誤差源主要包括傳感器誤差、算法誤差、地球模型誤差和初始對準(zhǔn)誤差。其中，傳感器誤差仍然是主要誤差源。目前，我國旋轉(zhuǎn)調(diào)制式激光陀螺慣導(dǎo)系統(tǒng)精度為2 nmile/5d[38]，與美國2 nmile/14d 的精度相比尚有較大差距[39]。隨著光學(xué)陀螺技術(shù)日趨成熟，精度突飛猛進(jìn)，目前國外光纖陀螺精度可達(dá)0.00008°/h[40]，廣泛使用的石英振梁加速度計已無法滿足高精度長航時慣性導(dǎo)航系統(tǒng)的需求。光力學(xué)加速度計理論精度可達(dá)nGal 水平，搭載超高精度光學(xué)陀螺可提升長航時自主導(dǎo)航系統(tǒng)精度。

考慮到船艇航行面臨的復(fù)雜海況環(huán)境和自身動力系統(tǒng)帶來的振動干擾，可能會導(dǎo)致設(shè)備性能降低，一般需對光力學(xué)加速度計采用抗沖擊基座和主動隔振措施。此外，船艇平臺艙室多數(shù)情況下是一個高溫高濕的環(huán)境，容易引起金屬腐蝕、電氣絕緣降低和電子設(shè)備失效等問題。高精度光力學(xué)加速度計屬于精密測量設(shè)備，對溫度非常敏感。因此，當(dāng)裝備于船艇平臺時，需采取相應(yīng)溫控措施。

3.2.2 預(yù)置平臺自主定位

水下無人預(yù)置平臺依托海洋的天然屏障，能夠?qū)崿F(xiàn)大潛深靜默式布置，隱蔽性較強(qiáng)，遂行任務(wù)靈活多樣[41]。由于水下環(huán)境限制，水下無人預(yù)置平臺無法利用衛(wèi)星導(dǎo)航定位來修正自己的定位誤差。為了保證執(zhí)行長期值守任務(wù)以及服務(wù)水下移動平臺，需要利用自身條件對多個傳感器的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行融合以提高定位精度。光力學(xué)加速度計作為超高精度慣性傳感器件有望提高預(yù)置平臺定位及固有漂移參數(shù)估計精度，進(jìn)一步提升系統(tǒng)長時間周期高精度定位信息保障能力。

考慮到能源自持和保障技術(shù)是制約水下無人預(yù)置平臺長時間待機(jī)和遂行作戰(zhàn)任務(wù)的主要因素[41]。因此，預(yù)置平臺對光力學(xué)加速度計的功耗和熱待機(jī)時長提出了較高的要求。此外，預(yù)置平臺長期潛伏布置在數(shù)百米甚至數(shù)千米的深海環(huán)境，光力學(xué)加速度計外殼在海水電解質(zhì)溶液中易發(fā)生電化學(xué)腐蝕且受到海洋生物分泌或還原形成的強(qiáng)酸腐蝕，從而對結(jié)構(gòu)造成不可逆的腐蝕破壞。目前，可從材料和防護(hù)兩方面著手來增加光力學(xué)加速度計的深海環(huán)境適應(yīng)性。

3.2.3 水下流速測量

基于錨碇船或浮標(biāo)用的傳統(tǒng)測流儀受到技術(shù)水平和原理性的限制，只能在某些特定的環(huán)境下才能工作，且一段時間內(nèi)只能在時域和空域上得到一維的海洋數(shù)據(jù)[42]，無法滿足現(xiàn)代海流測量精度要求。聲學(xué)海流計作為海流測量的“主力軍”，可實現(xiàn)走航和定點觀測，但其測量精度受聲學(xué)散射體、多徑傳播等因素影響，且存在測量盲區(qū)。考慮到海流連續(xù)測量準(zhǔn)確度要求，當(dāng)水深在200 m 的淺海區(qū)且流速超過1 m/s 時，流速測量準(zhǔn)確度要求為±5%，流向測量準(zhǔn)確度為10°[43]。通過對水下潛器絕對位置的航跡規(guī)劃，能夠?qū)崟r推測洋流對航跡的影響。高精度慣導(dǎo)系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確輸出潛器位置及航向信息，通過與絕對位置航跡進(jìn)行比對，則可以精確推算出洋流速度及方向。該流速測量方法對慣性器件精度要求非常高，超高精度光力學(xué)加速度計是較為理想的選擇。

考慮到海流連續(xù)觀測時間的長度一般不少于25 h[44]，慣導(dǎo)由此產(chǎn)生的累計測量誤差直接影響流速測量的精度，可每隔一段時間對其進(jìn)行校正，從而保持對水下流速的高精度測量。此外，海洋中天然磁場和海流在地磁場中運動時產(chǎn)生的感應(yīng)電磁場，都會對光力學(xué)加速度計的性能造成一定的干擾，需采取一定的磁防護(hù)措施。

4 海上平臺應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展

針對復(fù)雜的海況環(huán)境，從海上平臺慣性測量和保障輔助系統(tǒng)應(yīng)用需求出發(fā)，在光力學(xué)加速度計走向平臺應(yīng)用過程中，需從儀表級、平臺級、系統(tǒng)級層面來推動相關(guān)技術(shù)發(fā)展，加快工程化應(yīng)用進(jìn)程，關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展如圖3 所示。

圖3 關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展Fig. 3 Key technology development

4.1 光力學(xué)加速度計工程化技術(shù)

光力學(xué)加速度計是未來高精度戰(zhàn)略級加速度計，在著力其基礎(chǔ)理論、制造工藝、測試實驗、數(shù)據(jù)處理等研究之外，應(yīng)盡快挖掘光力學(xué)加速度計在海上平臺的工程化應(yīng)用，探索構(gòu)建符合其高精度等技術(shù)特點的應(yīng)用前瞻要求，歸納出系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)體系和影響要素規(guī)律。此外，考慮到海上平臺本體特征及所處環(huán)境對光力學(xué)加速度計的具體使用所施加的約束，研究溫度、搖擺、振動及電磁等物理量與加速度計相關(guān)輸出的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實現(xiàn)工程化狀態(tài)下加速度計的高精度測量，完善加速度計的環(huán)境適應(yīng)性。

4.2 船只慣性測量的穩(wěn)定平臺技術(shù)

結(jié)合目前海上平臺船載重力測量、升沉測量等研究現(xiàn)狀和需求分析，發(fā)展船載慣性測量的穩(wěn)定平臺技術(shù)，研制高精度慣性穩(wěn)定平臺顯得十分必要和迫切。慣性穩(wěn)定平臺能夠隔離船只在海上航行中由海浪起伏、海風(fēng)及海流因素引起的振動、橫搖和縱搖等位姿變化，保證設(shè)備測量作業(yè)的正常進(jìn)行?？衫霉饬W(xué)加速度計等慣性傳感器設(shè)計出一套船載穩(wěn)定平臺的慣性測量系統(tǒng)，將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次積分，得到平臺位置數(shù)據(jù)信息，通過測量系統(tǒng)中的陀螺儀來檢測海洋波浪對平臺姿態(tài)的影響。控制系統(tǒng)將根據(jù)位置、姿態(tài)等測量數(shù)據(jù)計算出的平臺位姿補(bǔ)償量輸出到執(zhí)行元件，進(jìn)而調(diào)整平臺位姿，使平臺一直保持固定姿態(tài)和位置，為海上平臺慣性測量提供滿足要求的動力學(xué)環(huán)境。

4.3 儀表與系統(tǒng)級誤差建模及補(bǔ)償技術(shù)

根據(jù)前述分析，光力學(xué)加速度計應(yīng)用于海上平臺測量和輔助保障系統(tǒng)的誤差主要受兩方面因素影響。一是光力學(xué)加速度計等慣性元件構(gòu)成慣性測量單元時陀螺與加速度計之間的不重合角、加速度計零偏、常值陀螺漂移及各自常值刻度系數(shù)誤差等自身因素影響；二是海上平臺運動及海洋環(huán)境等外部因素影響。針對上述誤差分析，應(yīng)開展儀表與系統(tǒng)誤差建模技術(shù)研究。探究海上平臺光力學(xué)加速度計等慣性傳感器的作用機(jī)理及其產(chǎn)生誤差的主要因素，并對各慣性傳感器進(jìn)行誤差分析和建模；通過小波變換和經(jīng)驗?zāi)Ｐ头纸獾确椒?研究光力學(xué)加速度計等傳感器數(shù)據(jù)降噪技術(shù),并對傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理和試驗驗證；開展海上平臺運動模型及洋流運動模型研究，并結(jié)合儀表誤差開展系統(tǒng)誤差模型研究。

另外，研究在線標(biāo)定及在線誤差補(bǔ)償技術(shù)。可將慣性測量單元的不正交誤差和光力學(xué)加速度計等器件誤差問題轉(zhuǎn)化為狀態(tài)估計問題，把需要標(biāo)定的參數(shù)作為被估計狀態(tài)量，把系統(tǒng)測量誤差和導(dǎo)航誤差作為觀測量，通過最優(yōu)估計（如卡爾曼濾波算法）實現(xiàn)參數(shù)標(biāo)定。慣導(dǎo)系統(tǒng)得到在線標(biāo)定的結(jié)果后，將標(biāo)定的結(jié)果補(bǔ)償?shù)綉T性測量單元的輸出，從而提高慣導(dǎo)系統(tǒng)的精度。

4.4 旋轉(zhuǎn)慣導(dǎo)系統(tǒng)誤差抑制技術(shù)

隨著慣性技術(shù)的發(fā)展，光力學(xué)加速度計搭載高精度光學(xué)陀螺組成的慣導(dǎo)系統(tǒng)能夠滿足長航時自主導(dǎo)航的精度需求。但不論使用什么類型的慣導(dǎo)系統(tǒng)，慣性器件誤差都會使得導(dǎo)航誤差隨時間累積而增加，從而導(dǎo)致長航時慣導(dǎo)系統(tǒng)精度下降。通過采用旋轉(zhuǎn)調(diào)制技術(shù)，可將光力學(xué)加速度計常值零偏和光學(xué)陀螺常值漂移調(diào)制成某種周期變化的形式。在導(dǎo)航解算過程中，利用積分運算可減弱甚至消除其對系統(tǒng)的影響，從而減少系統(tǒng)誤差的累計，延長系統(tǒng)重調(diào)周期，保證長航時自主導(dǎo)航精度。

5 結(jié) 論

本文歸納了光力學(xué)加速度計的研究進(jìn)展及現(xiàn)狀，剖析論證了其在船載重力測量、大型船只變形分布式測量、平臺升沉檢測、長航時自主導(dǎo)航等方面的應(yīng)用可行性，歸納了光力學(xué)加速度計在未來海上平臺應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。隨著光力學(xué)加速度計工程穩(wěn)定性的提高，圍繞長航時高精度慣性導(dǎo)航的軍事需求，光力學(xué)加速度計將在多任務(wù)復(fù)雜環(huán)境下的慣性傳感系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。