第1章 光纤陀螺仪概述 1
1.1 光纤陀螺发展历史 1
1.2 光纤陀螺基本原理 6
1.3 光纤陀螺研制中的主要技术问题 8
1.4 光纤陀螺分类 10
1.5 光纤陀螺主要误差及其研究方法 12
1.5.1 光路非互易性误差 13
1.5.2 光路误差的波粒二象性描述 14
1.5.3 光路的分布式特征与物理场作用 14
1.5.4 惯性仪表的共性技术及工程化方法 16
第2章 Sagnac效应与干涉型光纤陀螺仪光路结构 18
2.1 Sagnac效应及实现条件 18
2.1.1 真空中圆形光路的Sagnac效应 18
2.1.2 任意形状光路的Sagnac效应 20
2.1.3 介质中的Sagnac效应 22
2.1.4 Sagnac效应的坐标变换描述 23
2.1.5 Sagnac效应的多普勒效应描述 24
2.1.6 Sagnac效应的量级与实现条件 26
2.2 光纤陀螺光路互易性及其结构 30
2.2.1 环形干涉仪的互易性 30
2.2.2 光纤陀螺的最小互易性光路结构 38
2.2.3 其他干涉型光纤陀螺光路的互易性 43
2.3 本章小结 46
第3章 干涉型光纤陀螺仪的噪声机理及特性 47
3.1 光信号的噪声 47
3.2 Sagnac干涉仪输出光信号的噪声 51
3.3 光纤陀螺的信号检测噪声 52
3.4 光纤陀螺噪声的表征 59
3.4.1 随机游走系数 59
3.4.2 光纤陀螺噪声的随机游走系数表征 62
3.5 光纤陀螺的灵敏度检测极限和测量范围 65
3.6 本章小结 68
第4章 干涉型光纤陀螺仪光路偏振误差机理及抑制方法 69
4.1 光纤陀螺光路偏振模型 70
4.1.1 光电子器件的琼斯矩阵 70
4.1.2 环形干涉仪的琼斯矩阵 73
4.1.3 理想环形干涉仪的琼斯矩阵 74
4.2 光纤陀螺的偏振误差 75
4.2.1 偏振误差的产生 75
4.2.2 宽带光源对偏振误差的抑制作用 77
4.3 全保偏光纤陀螺的偏振误差机理及抑制方法 78
4.3.1 全保偏光纤陀螺的偏振误差机理 78
4.3.2 全保偏光纤陀螺的偏振误差抑制方法 86
4.4 混偏光纤陀螺的偏振误差机理及抑制方法 87
4.4.1 混偏光纤陀螺光路及偏振误差特点 87
4.4.2 混偏光纤陀螺的偏振误差机理 87
4.4.3 混偏光纤陀螺的偏振误差抑制方法 93
4.5 消偏光纤陀螺的偏振误差机理及抑制方法 94
4.5.1 消偏光纤陀螺光路组成及特点 94
4.5.2 单模光纤中的偏振交叉耦合 95
4.5.3 Lyot消偏器 98
4.5.4 消偏光纤陀螺的偏振误差机理 99
4.5.5 消偏光纤陀螺的偏振误差抑制方法 102
4.6 光纤陀螺光路中偏振交叉耦合的测试技术 103
4.6.1 偏振交叉耦合的测试方法 104
4.6.2 光相干域偏振计的实现 106
4.6.3 光相干域偏振计的测试误差分析 107
4.7 本章小结 110
第5章 干涉型光纤陀螺仪光路中光谱相关误差机理及抑制方法 111
5.1 宽带光源的光谱与相干性 111
5.1.1 光纤陀螺光路的背向反射和背向散射 111
5.1.2 宽带光源光谱的主要参数 115
5.1.3 光波经过陀螺光路后的自相干函数 117
5.1.4 自相干函数与光路寄生干涉引起的陀螺误差 118
5.2 光谱谱型与自相干函数的关系 119
5.3 光谱调制产生的陀螺光路寄生干涉 128
5.3.1 光谱调制的产生 128
5.3.2 光谱调制后的自相干函数 130
5.3.3 光谱调制位置不同时的自相干函数 133
5.4 光谱平均波长变化与光纤陀螺性能的关系 137
5.5 光谱不对称性引起的光纤陀螺输出误差 140
5.6 光谱因素引起的寄生干涉误差的抑制方法 142
5.7 本章小结 143
第6章 物理场及应用环境引起的干涉型光纤陀螺仪误差机理及抑制方法 145
6.1 物理场对光纤陀螺中材料的作用 145
6.2 光波和光纤陀螺中材料之间的相互作用 151
6.2.1 光纤内的非线性光学克尔效应 151
6.2.2 非线性光学克尔效应引起的陀螺误差 153
6.2.3 非线性光学克尔效应误差的抑制方法 154
6.3 温度场引起的光纤陀螺误差机理及抑制方法 155
6.3.1 温度和温度变化率通过光电子器件引起的陀螺误差 155
6.3.2 Shupe效应引起的非互易相位误差 156
6.3.3 Shupe效应误差的Mohr模型 158
6.3.4 Shupe效应误差的量化分析 163
6.3.5 轴向Shupe效应误差 167
6.3.6 Shupe效应误差的抑制方法 168
6.4 磁场引起的光纤陀螺误差机理及抑制方法 170
6.4.1 磁场对光纤中光波的作用 170
6.4.2 磁场敏感性误差的模型 171
6.4.3 磁场敏感性误差的统计学分析 178
6.4.4 磁场敏感性误差的抑制方法 183
6.5 应力引起的光纤陀螺误差机理及抑制方法 185
6.5.1 应力导致的光纤折射率变化 186
6.5.2 光纤线圈的弹性形变 187
6.5.3 应力引起光纤线圈的非互易误差 188
6.5.4 应力引起的陀螺误差的抑制方法 190
6.6 空间辐照引起的光纤陀螺误差机理及抑制方法 190
6.6.1 空间辐照下的光纤损耗 190
6.6.2 空间辐照下掺铒光纤光源的性能变化 192
6.6.3 空间辐照下其他光电子器件的性能变化 193
6.6.4 空间辐照引起的光纤陀螺误差的抑制方法 194
6.7 本章小结 196
第7章 光电子器件与干涉型光纤陀螺仪性能的关系 197
7.1 光纤和光纤环 197
7.1.1 光纤 197
7.1.2 光纤环 203
7.1.3 光纤环结构参数与光纤陀螺性能的关系 204
7.1.4 光纤环光学参数与光纤陀螺性能的关系 205
7.2 Y波导集成光学器件 208
7.2.1 Y波导主要参数与光纤陀螺性能的关系 209
7.2.2 Y波导主要性能参数设计 215
7.3 光纤耦合器 225
7.3.1 光纤耦合器参数与光纤陀螺性能的关系 226
7.3.2 光纤耦合器主要性能参数设计 228
7.4 光纤偏振器和光纤消偏器 236
7.4.1 光纤偏振器参数与光纤陀螺性能的关系 236
7.4.2 光纤消偏器参数与光纤陀螺性能的关系 237
7.5 光源 241
7.5.1 光源主要参数与光纤陀螺性能的关系 242
7.5.2 SLD光源主要性能参数设计 246
7.5.3 掺铒光纤光源主要性能参数设计 251
7.6 光电探测器组件 265
7.7 本章小结 271
第8章 干涉型光纤陀螺仪信号检测方法 272
8.1 开环光纤陀螺的信号检测方法 272
8.1.1 开环光纤陀螺的基本结构 272
8.1.2 开环光纤陀螺的相敏检测原理 273
8.1.3 模拟电路相敏检测方法 276
8.1.4 数字电路相敏检测方法 279
8.1.5 同步外差检测方法 280
8.2 闭环光纤陀螺的信号检测方法 281
8.2.1 光纤陀螺闭环检测方法 281
8.2.2 闭环光纤陀螺动态模型 284
8.3 模拟锯齿波调制闭环检测方法 287
8.3.1 锯齿波相位调制 287
8.3.2 锯齿波调制闭环光纤陀螺的工作原理 289
8.3.3 锯齿波调制闭环光纤陀螺输出频率误差分析 292
8.4 数字相位阶梯波调制闭环检测方法 302
8.4.1 数字相位阶梯波闭环光纤陀螺方案 302
8.4.2 偏置调制和反馈方法 304
8.4.3 光纤陀螺的数字采样频率转换 311
8.4.4 闭环数字检测电路设计和实现 317
8.5 本章小结 320
第9章 提高干涉型闭环光纤陀螺仪性能的方法与技术 321
9.1 提高光纤陀螺性能的主要技术途径 321
9.2 提高光纤陀螺零偏稳定性的方法 322
9.2.1 相对强度噪声抑制方法 323
9.2.2 高性能光电检测技术 325
9.3 提高光纤陀螺标度因数性能的方法 328
9.3.1 四态优化调制方法 329
9.3.2 双重反馈技术 332
9.4 消除闭环光纤陀螺死区的方法 333
9.4.1 陀螺死区产生的机理 334
9.4.2 消除陀螺死区的方法 339
9.5 缩短光纤陀螺启动时间的技术 344
9.5.1 光源输出光功率对陀螺启动时间的影响 345
9.5.2 光功率控制技术 347
9.6 扩展光纤陀螺测量范围的方法 351
9.6.1 扩展光纤陀螺测量范围的主要方法 351
9.6.2 跨干涉条纹调制方法 352
9.6.3 基于单级干涉条纹的量程扩展方法 357
9.7 本章小结 363
第10章 干涉型光纤陀螺仪设计及工艺技术 365
10.1 光纤陀螺方案及基本参数设计 365
10.1.1 光纤陀螺方案设计 365
10.1.2 光纤陀螺基本参数设计 367
10.1.3 提高光纤陀螺精度的设计原则 374
10.2 光纤陀螺的环境适应性设计 375
10.2.1 光纤陀螺环境适应性的设计原则 375
10.2.2 光纤陀螺环境适应性的多目标优化设计 377
10.3 光纤陀螺的工艺技术 380
10.3.1 光纤陀螺工艺概述 380
10.3.2 装配与调试工艺技术 381
10.3.3 集成一体化光路工艺技术 387
10.4 本章小结 391
第11章 干涉型光纤陀螺仪的误差模型 392
11.1 光纤陀螺的误差模型 392
11.2 光纤陀螺的零偏相关误差 395
11.2.1 零偏相关误差概念 395
11.2.2 光纤陀螺零偏相关误差的误差源 397
11.2.3 光纤陀螺零偏相关误差特性的Allan方差分析 401
11.2.4 零偏的温度误差模型及应用 412
11.2.5 零偏的磁场误差 415
11.2.6 光纤陀螺零偏相关误差分析实例 415
11.2.7 零偏相关误差与惯性系统性能的关系 419
11.3 光纤陀螺的标度因数误差 422
11.3.1 标度因数误差 422
11.3.2 标度因数相关误差分析 424
11.3.3 标度因数温度误差模型及应用 429
11.3.4 标度因数误差分析实例 431
11.4 本章小结 432
第12章 其他类型光纤陀螺仪技术 433
12.1 其他类型光纤陀螺概述 433
12.2 采用3×3光纤耦合器的干涉型光纤陀螺 434
12.2.1 工作原理 434
12.2.2 散射矩阵分析及耦合器端口选择 436
12.2.3 输入信号检测方法 437
12.2.4 光路消偏技术 440
12.2.5 陀螺输出误差和温度误差补偿 440
12.3 无源谐振型光纤陀螺 441
12.3.1 工作原理 441
12.3.2 关键技术 449
12.4 有源谐振型光纤陀螺 452
12.4.1 布里渊散射型光纤陀螺 452
12.4.2 稀土掺杂光纤激光陀螺 454
12.5 本章小结 456
第13章 光纤陀螺仪的发展趋势及相关技术动向 457
13.1 光纤陀螺的发展趋势 457
13.1.1 高精度光纤陀螺技术 459
13.1.2 低成本小型化光纤陀螺技术 459
13.1.3 光纤陀螺的高可靠性和长寿命技术 463
13.1.4 光子晶体光纤陀螺技术 464
13.2 集成光学陀螺技术 466
13.2.1 干涉型集成光学陀螺 467
13.2.2 无源谐振型集成光学陀螺 470
13.2.3 集成光学陀螺的发展趋势 481
13.3 微光机电陀螺技术 482
13.4 原子干涉陀螺技术 485
13.4.1 原子干涉陀螺原理 485
13.4.2 原子干涉陀螺的关键技术 487
13.5 本章小结 489
第14章 Sagnac干涉型光纤传感器技术 490
14.1 光纤传感器概述 490
14.2 Sagnac干涉型光纤电流互感器 495
14.2.1 工作原理 496
14.2.2 非互易相位误差机理 498
14.2.3 非互易相位误差抑制方法 505
14.2.4 光纤电流互感器的其他误差 506
14.3 Sagnac干涉型光纤水听器 508
14.3.1 工作原理 509
14.3.2 声信号的解调 510
14.3.3 Sagnac干涉型水听器的误差 511
14.4 Sagnac干涉型光纤分布式传感器 513
14.5 Sagnac干涉型光纤液体流速传感器 517
14.6 本章小结 519
附录A 光学及光电子学技术基础 520
A.1 光的反射、折射特性和偏振特性 520
A.1.1 光的反射、折射特性 520
A.1.2 光的偏振特性 524
A.2 光波的干涉特性 530
A.2.1 干涉的条件 530
A.2.2 光波的相干性 532
A.2.3 偏振光的叠加 536
A.3 光纤中的光波特性 539
A.3.1 光纤中的散射、吸收与色散 539
A.3.2 双折射光纤中的偏振光 544
A.4 光电子统计特性 548
A.4.1 光电计数分布 548
A.4.2 泊松噪声和附加噪声 551
附录B Sagnac效应理论 553
B.1 爱因斯坦狭义相对论与电磁学 553
B.2 相对论性Sagnac效应的电磁学理论 565
B.2.1 真空中与介质静止时的Sagnac效应 565
B.2.2 旋转的环形介质波导中的Sagnac效应 568
附录C 缩略语 572
参考文献 575