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第1章 绪论 1

1．1 光纤陀螺——一种新型的全固态惯性仪表 1

1．1．1 从机电陀螺、激光陀螺到光纤陀螺 1

1．1．2 光纤陀螺的特点 2

1．1．3 光纤陀螺的应用领域 3

1．1．4 光纤陀螺的发展前景 3

1．2 光纤陀螺的分类 4

1．2．1 干涉式光纤陀螺 4

1．2．2 谐振式光纤陀螺 5

1．2．3 布里渊散射式光纤陀螺 7

1．3 光纤陀螺的研制和应用现状 8

1．3．1 美国霍尼韦尔公司 8

1．3．2 美国诺思罗普·格鲁曼公司 10

1．3．3 德国利铁夫公司 12

1．3．4 美国KVH工业公司 14

1．3．5 法国IXSEA公司 16

1．3．6 国外其他公司 18

1．4 干涉式光纤陀螺技术的发展新动向 20

1．4．1 光纤陀螺的小型化技术 20

1．4．2 光纤陀螺的多路复用技术 23

参考文献 25

第2章 干涉式光纤陀螺的基本原理 28

2．1 萨格奈克效应 28

2．1．1 真空中的萨格奈克效应 30

2．1．2 介质中的萨格奈克效应 33

2．1．3 任意形状的闭合光路 35

2．2 光纤陀螺的互易性结构 37

2．2．1 萨格奈克光纤干涉仪的互易性原理 38

2．2．2 最小互易性光路结构 45

2．3 干涉式光纤陀螺的主要性能指标 46

2．4 干涉式光纤陀螺的工作原理 50

2．4．1 干涉式光纤陀螺的基本输出 50

2．4．2 偏置调制 51

2．4．3 信号检测 53

2．4．4 开环和闭环光纤陀螺 55

2．4．5 误差因素 57

2．5 光纤陀螺的基本测量极限 58

参考文献 61

第3章 光纤陀螺中的背向反射和背向散射 63

3．1 背向反射 63

3．1．1 相干背向反射引起的相位误差 63

3．1．2 采用斜抛端面抑制铌酸锂集成光学器件的背向反射 66

3．2 背向散射 68

3．2．1 光纤损耗和瑞利散射 68

3．2．2 光纤陀螺中的相干背向散射 70

3．2．3 采用宽带光源和本征偏置调制 72

3．2．4 二阶背向瑞利散射噪声 74

参考文献 76

第4章 光纤陀螺中的偏振和双折射效应 77

4．1 光纤中的偏振和双折射效应 78

4．1．1 光的偏振及其琼斯矩阵表示 79

4．1．2 单模光纤中的双折射效应 83

4．2 光纤陀螺中的偏振误差 86

4．2．1 萨格奈克干涉仪的偏振抑制要求 86

4．2．2 强度型和振幅型偏振误差 87

4．3 保偏光纤陀螺 90

4．3．1 采用保偏光纤和宽带光源 91

4．3．2 保偏光纤陀螺中的强度型偏振误差 93

4．3．3 保偏光纤陀螺中的振幅型偏振误差 98

参考文献 102

第5章 光纤陀螺中的克尔效应 103

5．1 光纤陀螺中的非线性克尔效应 104

5．1．1 光纤的非线性 104

5．1．2 交叉相位调制和克尔效应 105

5．2 采用宽带光源抑制克尔效应的统计光学理论 109

5．2．1 宽带光源的一阶统计特性和克尔效应公式 110

5．2．2 偏振热光 114

5．2．3 非偏振热光 115

5．2．4 部分偏振热光 117

参考文献 120

第6章 光纤陀螺中的法拉第效应 121

6．1 法拉第磁光效应 121

6．2 光纤陀螺中法拉第相位误差的描述 123

6．3 采用保偏光纤抑制光纤陀螺中的法拉第效应 125

6．3．1 光纤陀螺法拉第效应的简单模型 125

6．3．2 随机光纤扭转引起的法拉第漂移 134

6．4 采用消偏器抑制单模光纤陀螺中的法拉第效应 139

6．4．1 采用宽带光源的光纤陀螺漂移 140

6．4．2 法拉第漂移的统计学公式 145

6．4．3 双消偏器单模光纤陀螺中的法拉第漂移 148

6．5 光纤陀螺的轴向磁场灵敏度 153

参考文献 154

第7章 光纤陀螺的温度漂移特性与绕环技术 156

7．1 Shupe非互易性 156

7．2 光纤线圈的绕制方法 160

7．3 Mohr温度漂移模型的推广和理论分析 164

7．3．1 Mohr温度漂移模型及其推广 164

7．3．2 非理想四极对称绕法环圈结构的层坐标 168

7．3．3 非理想四极对称绕法环圈结构的权函数 169

7．4 非理想四极对称绕法环圈温度漂移特性的仿真研究 170

7．4．1 热辐射方向向外的情形 170

7．4．2 热辐射方向向内的情形 171

7．4．3 隔热（缓冲）层的影响 171

7．4．4 角误差特性 172

7．5 存在轴向热辐射时的旋转速率误差与交叉式四极对称绕法 173

7．6 热应力和振动引起的偏置误差 175

7．7 光纤陀螺温度补偿方案的探讨 176

参考文献 178

第8章 光纤陀螺中的随机游走系数 179

8．1 随机游走系数的物理概念 179

8．1．1 光纤陀螺中的漂移和噪声 179

8．1．2 角速率白噪声的表征和理论估算 182

8．1．3 引起短期角误差的主要因素 185

8．1．4 不同的应用对噪声和漂移的要求不同 189

8．2 随机游走系数的计算方法 192

8．2．1 单点计算法 192

8．2．2 多点拟合法 193

8．2．3 Allan方差分析法 194

8．3 影响随机游走系数的因素 195

8．3．1 电噪声 195

8．3．2 散粒噪声 196

8．3．3 相对强度噪声 197

8．3．4 热相位噪声 199

8．3．5 D／A噪声 199

8．3．6 总的随机游走系数 200

8．4 光纤陀螺测试数据的Allan方差分析 200

8．4．1 Allan方差分析的基本原理 201

8．4．2 随机游走系数 202

8．4．3 零偏不稳定性 203

8．4．4 速率斜坡 204

8．4．5 量化噪声 205

8．4．6 速率随机游走 205

8．4．7 指数相关噪声 206

8．4．8 Allan方差的噪声系数拟合 207

参考文献 209

第9章 闭环保偏光纤陀螺 211

9．1 闭环保偏光纤陀螺的结构组成和检测原理 212

9．2 闭环保偏光纤陀螺中的偏振误差 216

9．2．1 保偏光纤陀螺的矩阵光学模型 216

9．2．2 保偏光纤陀螺偏振误差的相干分析 219

9．2．3 偏振误差的仿真结果和讨论 222

9．3 全数字闭环处理技术 225

9．3．1 全数字闭环原理及其功能介绍 225

9．3．2 闭环光纤陀螺偏置调制工作点信噪比的理论分析 242

9．4 光谱调制度对保偏光纤陀螺性能的影响 244

9．4．1 光路系统的光谱特性 245

9．4．2 二阶相干峰对光纤陀螺性能的影响 249

9．5 全数字闭环光纤陀螺的标度因数误差和增益控制 251

9．5．1 全数字闭环光纤陀螺的标度因数误差源 251

9．5．2 全数字闭环光纤陀螺的“四态”方波调制和增益控制 258

9．6 闭环光纤陀螺中的死区效应和电子交叉耦合 263

参考文献 266

第10章 闭环消偏光纤陀螺 268

10．1 消偏问题的提出 268

10．2 闭环消偏单模光纤陀螺的系统结构 270

10．3 偏振随机化和去相干技术 272

10．3．1 Lyot光纤消偏器及多接点熔接的工作原理 272

10．3．2 Lyot消偏器双折射延迟所需的光纤长度 275

10．4 闭环消偏光纤陀螺偏振误差的琼斯矩阵分析 276

10．4．1 消偏光纤陀螺的矩阵模型和传递函数 276

10．4．2 光源谱宽的影响 278

10．4．3 光源偏振度和偏振器有限消光比的影响 283

10．4．4 采用两个消偏器的单模光纤陀螺的偏振误差分析 287

10．5 单模光纤线圈的非互易双折射的影响 289

10．5．1 非互易0°线性双折射产生的相位误差 290

10．5．2 非互易45°线性双折射产生的相位误差 292

10．5．3 非互易圆双折射产生的相位误差 294

10．5．4 同时具有线性双折射和圆双折射时的非互易误差 296

10．6 消偏光纤陀螺中偏振交叉耦合的影响 298

10．7 消偏器非理想性对单模光纤陀螺标度因数稳定性的影响 300

10．8 消偏光纤陀螺的磁场灵敏度分析 301

10．9 消偏光纤陀螺中的相对强度噪声 302

10．9．1 消偏光纤陀螺中的相对强度噪声的增加 302

10．9．2 消偏光纤陀螺中非互易双折射引起的强度噪声增加 309

10．9．3 消偏光纤陀螺的随机游走系数模型 319

参考文献 321

第11章 采用宽带掺铒光纤光源的高精度光纤陀螺 322

11．1 1．55 μm高精度光纤陀螺的研制现状 323

11．2 1．55 μm高精度光纤陀螺优点及其对光源的要求 324

11．3 宽带光纤光源的分类 326

11．3．1 谐振式光纤激光器 326

11．3．2 超荧光光纤光源 327

11．3．3 波长扫描光纤激光器 331

11．3．4 SLD-EDFA串联光源 332

11．4 超荧光光纤光源的光学特性 333

11．4．1 转换效率和输出特性 333

11．4．2 热稳定性 334

11．4．3 平均波长和谱宽 335

11．4．4 对光反馈的敏感性 336

11．5 宽带光纤光源的噪声特性 337

11．5．1 量子光探测统计光学理论 338

11．5．2 半经典光探测理论 347

11．5．3 高精度光纤陀螺的信噪比分析 351

11．6 宽带光纤光源的设计与仿真 353

11．6．1 超荧光掺铒光纤光源的能级图 353

11．6．2 超荧光掺铒光纤光源的仿真 355

11．7 采用掺铒光纤光源的高精度光纤陀螺 370

11．7．1 高精度光纤陀螺基本组成 370

11．7．2 光源相对强度噪声的抑制 372

参考文献 377

附录 缩略语 379

后记 382