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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