谐振式光学陀螺（ROG）是21世纪惯性技术领域的主流惯性器件。本书系统地论述了谐振式光学陀螺的传感机理、微谐振腔的优化设计、噪声抑制技术和信号检测技术等，以及对谐振式光学陀螺所进行的测试与分析。本书注重机理分析，理论与实践相结合，系统性、理论性和实用性较强。

前 言 谐振式光学陀螺（Resonator Optic Gyroscope，ROG）是一种高精度惯性器件，其基本原理是通过检测由Sagnac效应所引起的腔内相向传输光束的谐振频差来实现旋转角速率的检测。相对于干涉式光纤陀螺（I-FOG），谐振式光学陀螺（ROG）的光路在谐振腔中循环传播，使其物理学效应得到增强；ROG采用单圈的谐振环腔替代多圈光纤，在其长度大大缩短的同时仍能满足I-FOG的性能指标，从而避免了非互易性效应。这使得ROG精度更加接近散粒噪声所决定的理论极限灵敏度，为惯性器件的微型化奠定了基础。谐振式光学陀螺是20世纪晚期出现的一种新型光学陀螺，具有可靠性高、寿命长、启动快、动态范围宽等优势，其精度对于从战术级到战略级、从军用到民用的多种应用领域均可满足要求，是21世纪惯性技术领域的主流惯性器件。 随着我国国防科技事业和光电子产业的不断发展，谐振式光学陀螺也得到了快速发展。十几年来，著者一直从事谐振式光学陀螺等新型惯性技术的研究，取得了数十项技术创新和发明专利。作为经验和教训的总结，著者在理论和技术研究的基础上将这些成果汇集成册，以成本书，旨在为促进谐振式光学陀螺技术的进一步发展略尽绵薄。 本书的特点是注重研究内容的系统性和创新性，尽可能体现原理研究和工程实践相结合。全书分为6章：第1章为概述；第2章阐述谐振式光学陀螺的传感机理；第3章主要讨论微谐振腔的结构设计、优化及封装技术；第4章阐述谐振式光学陀螺的典型噪声及其抑制技术；第5章讨论谐振式光学陀螺的信号检测技术；第6章对谐振式光学陀螺系统进行测试与分析，并讨论谐振式光学陀螺技术的发展动向。此外，书末附有本书所需的光学与光电子学基础知识以及所涉及的缩略语，分别见附录A和附录B。本书内容新颖、系统性较强，将新型封装工艺应用到谐振式光学陀螺中，不仅拓展了其应用领域，也有利于促进多学科之间的交叉融合发展。 本书是在中北大学张文栋教授、刘俊教授、熊继军教授、任勇峰教授、薛晨阳教授、甄国涌教授、文丰教授、李圣昆副教授、郑永秋老师的关心和支持下完成的，在此深表谢意。在本书编写过程中，参考和借鉴了大量国内外相关文献，谨对相关原作者表示感谢。 本书的相关研究成果得到了总装备部、国防科工局、国家自然科学基金委、中国航天科工集团的大力支持，在此一并表示衷心的感谢！ 由于著者水平有限，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。 著 者 2018年5月

目 录 第1章 概述 1 1.1 引言 1 1.2 谐振式光学陀螺的发展现状 5 1.2.1 国外谐振式光学陀螺发展现状 5 1.2.2 国内谐振式光学陀螺发展现状 17 1.3 谐振式光学陀螺的发展趋势及所面临的挑战 22 第2章 谐振式光学陀螺的传感机理 25 2.1 ROG的基本原理 25 2.1.1 光学Sagnac效应 25 2.1.2 谐振腔的特征参量 27 2.1.3 谐振腔的光传输特性 30 2.1.4 ROG的系统构成 33 2.2 ROG的信号检测原理 35 2.2.1 ROG的调相谱信号检测原理 35 2.2.2 谐振频率的跟踪与锁定原理 42 2.2.3 基于调相谱技术的ROG系统组成 43 2.3 本章小结 45 第3章 微谐振腔的结构设计和优化 47 3.1 FRR结构设计和优化 47 3.1.1 光纤耦合器 47 3.1.2 FRR参量分析 47 3.1.3 FRR结构设计 52 3.2 硅基楔形盘腔的结构设计、测试和优化 55 3.2.1 不同直径楔形盘腔的结构设计和制备 55 3.2.2 楔形盘腔的测试及其结果分析 61 3.3 本章小结 65 第4章 谐振式光学陀螺的典型噪声及其抑制技术 66 4.1 基于FRR的背向散射噪声及其抑制技术 66 4.1.1 瑞利背向散射噪声的机理和测试分析 66 4.1.2 背向散射噪声对陀螺输出的制约分析 70 4.1.3 背向散射噪声抑制技术 76 4.2 基于楔形盘腔的非互易性噪声及其抑制技术 91 4.2.1 非互易性的产生机理和仿真分析 91 4.2.2 非互易性的测试和分析 93 4.2.3 非互易性噪声对陀螺输出的影响 96 4.2.4 楔形盘腔耦合单元的封装技术 97 4.3 本章小结 105 第5章 谐振式光学陀螺的信号检测技术 107 5.1 检测系统的组成 107 5.2 数字信号检测的关键技术 108 5.2.1 微弱信号的锁相放大 108 5.2.2 三角波相位调制的同步解调技术 109 5.2.3 正弦波相位调制的同步解调技术 111 5.2.4 谐振频率的跟踪与锁定技术 116 5.3 本章小结 120 第6章 谐振式光学陀螺系统的测试与分析 121 6.1 谐振式光纤陀螺测试系统组成 121 6.2 系统测试结果与分析 122 6.2.1 谐振谱线的测试分析 122 6.2.2 解调曲线的测试分析 124 6.2.3 谐振频率跟踪与锁定测试分析 130 6.2.4 系统转动测试分析 133 6.3 研究工作展望 135 6.4 本章小结 139 附录A 光学与光电子学基础 141 A.1 光的反射、折射特性 141 A.2 光波的干涉特性 146 A.2.1 干涉的条件 146 A.2.2 光波的相干性 147 A.3 光纤中的光波特性 151 A.3.1 光纤中的散射 151 A.3.2 光纤中的吸收 152 A.3.3 光纤中的色散 154 A.4 光电子统计特性 156 A.4.1 光电计数分布 156 A.4.2 泊松噪声和附加噪声 158 附录B 缩略语 161 参考文献 163

焦新泉：博士，中北大学仪器与电子学院副教授、硕士生导师。2015年12月毕业于北京理工大学导航、制导与控制专业，获工学博士学位。主要研究方向：测试计量技术及仪器，微纳器件及测试技术。近年来，主持国家自然科学基金面上项目1项，装备发展部预研基金1项，航天、航空等领域科研项目100余项。发表学术论文30多篇，其中SCI收录6篇、EI收录10多篇；以第一发明人获得国家发明专利6项。__eol__