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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