光纤陀螺综述
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（2）改进半导体激光光源的噪声特性 FOG 的检测灵敏度及精度直接受噪声的限制。
要提高 FOG 的精度和分辨率，除采用低损耗保偏光 纤和大功率光源外，还应改进光源的噪声特性及研 制出量子效率高的光电检测器，以最大限度地抑制 FOG 内部产生的有害噪声。
（3）减小温度引起的系统漂移 温度是引起系统漂移的又一重要原因。对于高
［收稿日期］ 2005-04-18 ［作者简介］ 陈塞崎（1981 - ），男，陕西延安人，西北工业大
学自动化学院硕士研究生 . ［作者地址］ 西安市劳动南路 88 号旺园学生公寓 3-1601，
710068
易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可直接用 数字输出，并与计算机接口联接；6）具有较宽的动 态范围；7）可与环形激光陀螺一起使用，构成各种 惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的传感 器；8）结构简单、价格低、体积小、质量小。
I-FOG 在结构上就是光纤 Sagnac 干涉仪，如图 2 所示。由式（l）可知，它将角速度 ! 的测量转化为 相位差 !"，再通过相位解调技术，把光相位的直接 测量转化为光强度测量，这样就能比较方便地测量 出 Sagnac 相位变化，它是光纤陀螺中研究最早的， 目前已广泛应用于航空、航天、航海及诸多领域。
2 光纤陀螺的分类
就原理与结构而言，可以将光纤陀螺分为干涉 型光纤陀螺、谐振腔光纤陀螺、布里渊光纤陀螺、锁 模光纤陀螺及 Fabry-pero（t 法-珀）光纤陀螺等五种； 就其结构而言也可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀 螺两类；从相位解调方式来看，还可分为相位差偏置 式光纤陀螺、光外差式光纤陀螺及延时调制式光纤 陀螺。下面 就 工 程 上 大 量 应 用 的 干 涉 型 光 纤 陀 螺 （I-FOG），以及目前还处于实验室研究阶段但前景十 分光明的谐振腔光纤陀螺（R-FOG）作一简单介绍。 2 . 1 I-FOG
另外，理想的互易特性是实现 FOG 高灵敏度、 高精确度的关键。但在实际的 FOG 中，影响互易特 性的因素很多，这些因素及其可能的解决途径归纳 如下：
（l）抑制光纤中的散射噪声 光纤中的后向瑞利散射及来自光界面的后向散
射是 FOG 的主要噪声源。这些散射光会通过对其 原点进行寄生干涉而引起测量误差。抑制这些散射 噪声的有效方法目前主要有：a . 采用超发光二极管 等低相干光源；b. 对后向散射光提供频差并对光源 进行脉冲调制；c . 采用光隔离器；d. 用宽 带 激 光 器、跳频激光器、相位调制器等作光源，以破坏光源 的时间相干性，使其后向散射光的干涉平均为零。
An Overview of Fiber-Optic Gyroscopes
CHEN Sai-gi， YUAN Dong-ii， YAN Jian-guo， JIA Wei， ZHOU Jian
（College of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China） Abstract：The principie，characteristics，ciassification and key technoiogies of fiber-optic gyroscopes are summarized. The deveiopment of fiber-optic gyroscopes at home and abroad is expatiated，at the same time the trend of them is predicted. Key words：fiber-optic gyroscop（e FOG）；phase difference；opticai fiber
（6）提高 FOG 的环境适应性 提高 FOG 在振动、变形和加速度等条件下的稳 定性并扩大测定旋转速度的动态范围，可以提高其 可靠性及环境适应性，也是导弹制导、飞机和舰艇导 航以及 卫 星、地 形 匹 配 跟 踪 等 恶 劣 环 境 条 件 下 对 FOG 的基本要求。减少 FOG 的测量误差并提高其 分辨率、灵敏度，则是获得上述诸多特性的前提。 引起 FOG 测量误差的原因还包括：a . 法拉第效 应。例如由地球的磁场引起的测量误差的典型值是 l0 /1，采用电磁屏蔽和使用保偏光纤，即可消除环 路中的每隔一圈为一周期的扭曲失真误差。b. 光 学克尔效应。光学克尔效应是一种三阶非线性光学 效应，采用低相干光源可能是一种有效的解决途径。 c. 光纤端面的菲涅尔反射。采用消除后向散射的 办法（如采用超发光二极管等低相干光源或对光源 进行脉冲调制等）或者采用折射率匹配液的方法可 减小菲涅尔反射。d. 光纤的双折射特性。在光路 中设置偏振控制器，采用分集接收技术及保偏光纤 技术可减小光纤双折射特性引起的 FOG 测量误差。 e. 偏振变化。可采用保偏光纤或者偏振面补偿装 置及 退 偏 振 镜 来 解 决。f . 两 束 光 之 间 的 光 程 差。 可进行强 度 补 偿，用 光 隔 离 器 消 除 返 回 光 的 影 响。 g .时变温度扰动（S1upe）。可采用四极法缠绕光纤 线圈，并在信号处理电路中进行补偿。h. 声学噪声 和振动。声学噪声和振动可引起较大的非互易性寄 生效应，可采用对称缠绕光纤线圈及保证线圈稳定
来自光源的光束通过分束器分成了两束光，这 两束光分别从光纤线圈（光纤缠绕在半径为 ! 的环 上）两端耦合进入光纤传感线圈并反向传输。从光
陈塞崎等：光纤陀螺综述
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纤线圈两端出来的两束光，通过合束器后又重新复
合，并产生干涉。如果光纤线圈处在静止状态，从光
纤线圈两端出来的两束光的相位差为零。如果光纤
I-FOG 中的光纤线圈一般都用单模光纤和保偏 光纤制作。用保偏光纤制作光纤线圈可得到高性能 FOG，但是若 要 提 高 它 的 灵 敏 度 就 必 须 增 加 光 纤 的 长度，一般为数百米到数千米，这样会使 FOG 的体 积较大，价格昂贵。
I-FOG 又被分为开环和闭环两种类型。开环式 I-FOG 直接检测干涉后的 Sagnac 相移，主要用作角 速度传感器。这种光纤陀螺结构简单，价格便宜，但 是线性度差，动态范围小。闭环式 I-FOG 利用反馈 回路由相位调制器引入与 Sagnac 相移等值反向的
与机电陀螺或激光陀螺相比，FOG 具有如下显 著特点：1）零部件少、无运动部件、仪器牢固稳定、 具有较强的耐冲击和抗加速运动的能力；2）光纤线 圈增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨 率比激光陀螺提高了好几个数量级，从而有效地克 服了激光陀螺的闭锁问题；3）无机械传动部件，不 存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；4）相干 光束的传 播 时 间 极 短，因 而 原 理 上 可 瞬 间 启 动；5）
光纤与电缆及其应用技术
2005 年第 6 期
Opticai Fiber & Eiectric Cabie
No. 6 2005
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光纤陀螺综述
陈塞崎， 袁冬莉， 闫建国， 贾 伟， 周 健
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式中 L 为谐振器的光纤长度，S 为谐振器所包围的
面积，#0 为光波长。由上式可见，通过测量 R-FOG
图 3 R-FOG 原理图
·6·
光纤与电缆及其应用技术
2005 年第 6 期
中两谐振光束的谐振频率差 !!，可以确定旋转角速 度 !。
由于对 R-FOG 的研究起步较晚，加之其对光源 的要求十分苛刻，所以目前 R-FOG 还处于实验室研 究阶段，距离工程应用还需要一段时间。但是和 IFOG 相比，其具有光源稳定度高、所用光纤短（一般 l0 m 左右）、受环境影响小、成本低的优势，因此各 国都投入大量人力对其进行研究，相信在不久的将 来，R-FOG 一定可以在惯性导航与制导等诸多领域 得到广泛应用。
合束器、相位调制器以及光电检测器等，进一步改善 这些功能元件的匹配及相位漂移是提高其检测灵敏 度和精度，降低短期漂移率的保证。
（5）抑制光电检测器及电路的噪声 光电检测器的散粒噪声及电路的白噪声等也是
影响 FOG 检测灵敏度和测量精度的重要因素。对 于电路的白噪声，可以选择高于 l khz 的相位调制 频率来减小噪声（!l/ !）；也可选用高输入阻抗的低 噪声前置放大电路来提高信噪比；对于光电检测器 的散粒噪声，以目前的情况看，采用高量子效率光电 检测器、低损耗保偏光纤和大功率激光光源等，则有 较好的抑制效果。
灵敏度的 FOG 而言，克服温度的影响尤为重要。由
于光纤线圈周围的温度场对光纤线圈的作用是不均 匀的，从而会引起非互易相移的随机漂移，因此，须 对光纤线圈进行恒温处理，如用铅箔进行屏蔽隔离 并进行适当的温度补偿等，以减小温度引起的系统 漂移。
（4）改善功能元件的性能 FOG 内的功能元件有很多，如偏振镜、分束器、
0Fra Baidu bibliotek言
1976 年，美 国 Utah 大 学 的 Vaii 和 R. W. Shorthiii 成功地制作了第一个光纤陀螺（FOG）。它 标志着第二代光学陀螺———光纤陀螺的诞生（第一 代光学陀螺为激光陀螺）。光纤陀螺一问世就以其 明显的优点，结构的灵活性以及诱人的前景，引起了 世界上许多国家大学和科研机构的普遍重视，二十 多年来获得了很大的进展。通过科研工作者们的努 力，许多关键技术问题已经得到解决，灵敏度也比原 来提高了 4 个数量级，并且角速度的测量精度已从 最初的 15 /h 提高到了现在 0 . 001 /h 的量级。
陈塞崎等：光纤陀螺综述
·7·
的方法来克服。
陀螺不如集成光学型光纤陀螺。全光纤型陀螺不宜
4 发展现状及发展趋势
采用现代平面工艺，而集成光学型陀螺可在平面工 艺线上批量生产，能大幅度降低成本和售价。显然，
线圈以角速度! 旋转，这两束光会由于 Sagnac 效应 而产生相位差：
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8"!SN #0 c
（l）
式中 S 为光路所包围的面积，对于光纤线圈而言 S
="R2 ；N 为光纤匝数；#0 为光波长；c 为真空中的
光速。通过相位解调提取 !"，可利用上式求出!。
非互易相移，是一种较精密且复杂的 FOG，主要用于 中等精度的惯导系统。
1 光纤陀螺的基本原理
不管什 么 类 型 的 光 纤 陀 螺，其 基 本 原 理 都 是 Sagnac 效应，只是各研究者所采用的相位解调方式 不同，或者 对 光 纤 陀 螺 的 噪 声 补 偿 方 法 不 同 而 已。 为叙述简单，以干涉型光纤陀螺为例，其基本光路系 统如图 1 所示。
图 1 光纤陀螺的原理结构示意图
图 2 I-FOG 原理结构图
2 . 2 R-FOG
图 3 所示是 R-FOG 的原理框图。从激光器发
出的光通过光纤耦合器 l 分成两路，再通过光纤耦 合器 2 分别耦合进入光纤谐振器，在其中形成相反 方向传播的两路谐振光。谐振器静止时，这两束光
的谐振频率相等。但若谐振器以角速度! 旋转时， 他们的谐振频率不再相等。由 Sagnac 效应可推出 这两束谐振光的谐振频率差为：
3 关键技术
FOG 需要解决的主要问题有：l）灵敏度消失。 在旋转速率接近零时，灵敏度会消失。这是由于检 测器中的光密度正比于 Sagnac 相移的余弦量所引 起，即 " = "（0 l + cos!"）。2）噪声。FOG 的噪声是 由于瑞利后向散射引起的。为了达到低噪声，应采 用低相干长度的光源。3）光纤双折射引起的相位 漂移。如果两束相反传播的光波在不同的光路上， 就会产生相位漂移。造成光路长度差的原因是单模 光纤有两个正交偏振态，且两个偏振态的光波一般 以不同速度传播。由于环境影响，会使两个正交偏 振态随机变化。
（西北工业大学 自动化学院，西安 710072）
［摘 要］ 综述了光纤陀螺的基本原理，主要特点，分类情况及关键技术。阐述了国内外发展现状，同时对今 后的发展趋势作了预测。
［关键词］ 光纤陀螺；相位差；光纤 ［中图分类号］ TN253 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-190（8 2005）06-0004-04
要提高 FOG 的精度和分辨率，除采用低损耗保偏光 纤和大功率光源外，还应改进光源的噪声特性及研 制出量子效率高的光电检测器，以最大限度地抑制 FOG 内部产生的有害噪声。
（3）减小温度引起的系统漂移 温度是引起系统漂移的又一重要原因。对于高
［收稿日期］ 2005-04-18 ［作者简介］ 陈塞崎（1981 - ），男，陕西延安人，西北工业大
学自动化学院硕士研究生 . ［作者地址］ 西安市劳动南路 88 号旺园学生公寓 3-1601，
710068
易于采用集成光路技术，信号稳定可靠，且可直接用 数字输出，并与计算机接口联接；6）具有较宽的动 态范围；7）可与环形激光陀螺一起使用，构成各种 惯导系统的传感器，尤其是捷联式惯导系统的传感 器；8）结构简单、价格低、体积小、质量小。
I-FOG 在结构上就是光纤 Sagnac 干涉仪，如图 2 所示。由式（l）可知，它将角速度 ! 的测量转化为 相位差 !"，再通过相位解调技术，把光相位的直接 测量转化为光强度测量，这样就能比较方便地测量 出 Sagnac 相位变化，它是光纤陀螺中研究最早的， 目前已广泛应用于航空、航天、航海及诸多领域。
2 光纤陀螺的分类
就原理与结构而言，可以将光纤陀螺分为干涉 型光纤陀螺、谐振腔光纤陀螺、布里渊光纤陀螺、锁 模光纤陀螺及 Fabry-pero（t 法-珀）光纤陀螺等五种； 就其结构而言也可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀 螺两类；从相位解调方式来看，还可分为相位差偏置 式光纤陀螺、光外差式光纤陀螺及延时调制式光纤 陀螺。下面 就 工 程 上 大 量 应 用 的 干 涉 型 光 纤 陀 螺 （I-FOG），以及目前还处于实验室研究阶段但前景十 分光明的谐振腔光纤陀螺（R-FOG）作一简单介绍。 2 . 1 I-FOG
另外，理想的互易特性是实现 FOG 高灵敏度、 高精确度的关键。但在实际的 FOG 中，影响互易特 性的因素很多，这些因素及其可能的解决途径归纳 如下：
（l）抑制光纤中的散射噪声 光纤中的后向瑞利散射及来自光界面的后向散
射是 FOG 的主要噪声源。这些散射光会通过对其 原点进行寄生干涉而引起测量误差。抑制这些散射 噪声的有效方法目前主要有：a . 采用超发光二极管 等低相干光源；b. 对后向散射光提供频差并对光源 进行脉冲调制；c . 采用光隔离器；d. 用宽 带 激 光 器、跳频激光器、相位调制器等作光源，以破坏光源 的时间相干性，使其后向散射光的干涉平均为零。
An Overview of Fiber-Optic Gyroscopes
CHEN Sai-gi， YUAN Dong-ii， YAN Jian-guo， JIA Wei， ZHOU Jian
（College of Automation，Northwestern Polytechnical University，Xi’an 710072，China） Abstract：The principie，characteristics，ciassification and key technoiogies of fiber-optic gyroscopes are summarized. The deveiopment of fiber-optic gyroscopes at home and abroad is expatiated，at the same time the trend of them is predicted. Key words：fiber-optic gyroscop（e FOG）；phase difference；opticai fiber
（6）提高 FOG 的环境适应性 提高 FOG 在振动、变形和加速度等条件下的稳 定性并扩大测定旋转速度的动态范围，可以提高其 可靠性及环境适应性，也是导弹制导、飞机和舰艇导 航以及 卫 星、地 形 匹 配 跟 踪 等 恶 劣 环 境 条 件 下 对 FOG 的基本要求。减少 FOG 的测量误差并提高其 分辨率、灵敏度，则是获得上述诸多特性的前提。 引起 FOG 测量误差的原因还包括：a . 法拉第效 应。例如由地球的磁场引起的测量误差的典型值是 l0 /1，采用电磁屏蔽和使用保偏光纤，即可消除环 路中的每隔一圈为一周期的扭曲失真误差。b. 光 学克尔效应。光学克尔效应是一种三阶非线性光学 效应，采用低相干光源可能是一种有效的解决途径。 c. 光纤端面的菲涅尔反射。采用消除后向散射的 办法（如采用超发光二极管等低相干光源或对光源 进行脉冲调制等）或者采用折射率匹配液的方法可 减小菲涅尔反射。d. 光纤的双折射特性。在光路 中设置偏振控制器，采用分集接收技术及保偏光纤 技术可减小光纤双折射特性引起的 FOG 测量误差。 e. 偏振变化。可采用保偏光纤或者偏振面补偿装 置及 退 偏 振 镜 来 解 决。f . 两 束 光 之 间 的 光 程 差。 可进行强 度 补 偿，用 光 隔 离 器 消 除 返 回 光 的 影 响。 g .时变温度扰动（S1upe）。可采用四极法缠绕光纤 线圈，并在信号处理电路中进行补偿。h. 声学噪声 和振动。声学噪声和振动可引起较大的非互易性寄 生效应，可采用对称缠绕光纤线圈及保证线圈稳定
来自光源的光束通过分束器分成了两束光，这 两束光分别从光纤线圈（光纤缠绕在半径为 ! 的环 上）两端耦合进入光纤传感线圈并反向传输。从光
陈塞崎等：光纤陀螺综述
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纤线圈两端出来的两束光，通过合束器后又重新复
合，并产生干涉。如果光纤线圈处在静止状态，从光
纤线圈两端出来的两束光的相位差为零。如果光纤
I-FOG 中的光纤线圈一般都用单模光纤和保偏 光纤制作。用保偏光纤制作光纤线圈可得到高性能 FOG，但是若 要 提 高 它 的 灵 敏 度 就 必 须 增 加 光 纤 的 长度，一般为数百米到数千米，这样会使 FOG 的体 积较大，价格昂贵。
I-FOG 又被分为开环和闭环两种类型。开环式 I-FOG 直接检测干涉后的 Sagnac 相移，主要用作角 速度传感器。这种光纤陀螺结构简单，价格便宜，但 是线性度差，动态范围小。闭环式 I-FOG 利用反馈 回路由相位调制器引入与 Sagnac 相移等值反向的
与机电陀螺或激光陀螺相比，FOG 具有如下显 著特点：1）零部件少、无运动部件、仪器牢固稳定、 具有较强的耐冲击和抗加速运动的能力；2）光纤线 圈增长了激光束的检测光路，使检测灵敏度和分辨 率比激光陀螺提高了好几个数量级，从而有效地克 服了激光陀螺的闭锁问题；3）无机械传动部件，不 存在磨损问题，因而具有较长的使用寿命；4）相干 光束的传 播 时 间 极 短，因 而 原 理 上 可 瞬 间 启 动；5）
光纤与电缆及其应用技术
2005 年第 6 期
Opticai Fiber & Eiectric Cabie
No. 6 2005
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光纤陀螺综述
陈塞崎， 袁冬莉， 闫建国， 贾 伟， 周 健
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（2）
式中 L 为谐振器的光纤长度，S 为谐振器所包围的
面积，#0 为光波长。由上式可见，通过测量 R-FOG
图 3 R-FOG 原理图
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光纤与电缆及其应用技术
2005 年第 6 期
中两谐振光束的谐振频率差 !!，可以确定旋转角速 度 !。
由于对 R-FOG 的研究起步较晚，加之其对光源 的要求十分苛刻，所以目前 R-FOG 还处于实验室研 究阶段，距离工程应用还需要一段时间。但是和 IFOG 相比，其具有光源稳定度高、所用光纤短（一般 l0 m 左右）、受环境影响小、成本低的优势，因此各 国都投入大量人力对其进行研究，相信在不久的将 来，R-FOG 一定可以在惯性导航与制导等诸多领域 得到广泛应用。
合束器、相位调制器以及光电检测器等，进一步改善 这些功能元件的匹配及相位漂移是提高其检测灵敏 度和精度，降低短期漂移率的保证。
（5）抑制光电检测器及电路的噪声 光电检测器的散粒噪声及电路的白噪声等也是
影响 FOG 检测灵敏度和测量精度的重要因素。对 于电路的白噪声，可以选择高于 l khz 的相位调制 频率来减小噪声（!l/ !）；也可选用高输入阻抗的低 噪声前置放大电路来提高信噪比；对于光电检测器 的散粒噪声，以目前的情况看，采用高量子效率光电 检测器、低损耗保偏光纤和大功率激光光源等，则有 较好的抑制效果。
灵敏度的 FOG 而言，克服温度的影响尤为重要。由
于光纤线圈周围的温度场对光纤线圈的作用是不均 匀的，从而会引起非互易相移的随机漂移，因此，须 对光纤线圈进行恒温处理，如用铅箔进行屏蔽隔离 并进行适当的温度补偿等，以减小温度引起的系统 漂移。
（4）改善功能元件的性能 FOG 内的功能元件有很多，如偏振镜、分束器、
0Fra Baidu bibliotek言
1976 年，美 国 Utah 大 学 的 Vaii 和 R. W. Shorthiii 成功地制作了第一个光纤陀螺（FOG）。它 标志着第二代光学陀螺———光纤陀螺的诞生（第一 代光学陀螺为激光陀螺）。光纤陀螺一问世就以其 明显的优点，结构的灵活性以及诱人的前景，引起了 世界上许多国家大学和科研机构的普遍重视，二十 多年来获得了很大的进展。通过科研工作者们的努 力，许多关键技术问题已经得到解决，灵敏度也比原 来提高了 4 个数量级，并且角速度的测量精度已从 最初的 15 /h 提高到了现在 0 . 001 /h 的量级。
陈塞崎等：光纤陀螺综述
·7·
的方法来克服。
陀螺不如集成光学型光纤陀螺。全光纤型陀螺不宜
4 发展现状及发展趋势
采用现代平面工艺，而集成光学型陀螺可在平面工 艺线上批量生产，能大幅度降低成本和售价。显然，
线圈以角速度! 旋转，这两束光会由于 Sagnac 效应 而产生相位差：
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8"!SN #0 c
（l）
式中 S 为光路所包围的面积，对于光纤线圈而言 S
="R2 ；N 为光纤匝数；#0 为光波长；c 为真空中的
光速。通过相位解调提取 !"，可利用上式求出!。
非互易相移，是一种较精密且复杂的 FOG，主要用于 中等精度的惯导系统。
1 光纤陀螺的基本原理
不管什 么 类 型 的 光 纤 陀 螺，其 基 本 原 理 都 是 Sagnac 效应，只是各研究者所采用的相位解调方式 不同，或者 对 光 纤 陀 螺 的 噪 声 补 偿 方 法 不 同 而 已。 为叙述简单，以干涉型光纤陀螺为例，其基本光路系 统如图 1 所示。
图 1 光纤陀螺的原理结构示意图
图 2 I-FOG 原理结构图
2 . 2 R-FOG
图 3 所示是 R-FOG 的原理框图。从激光器发
出的光通过光纤耦合器 l 分成两路，再通过光纤耦 合器 2 分别耦合进入光纤谐振器，在其中形成相反 方向传播的两路谐振光。谐振器静止时，这两束光
的谐振频率相等。但若谐振器以角速度! 旋转时， 他们的谐振频率不再相等。由 Sagnac 效应可推出 这两束谐振光的谐振频率差为：
3 关键技术
FOG 需要解决的主要问题有：l）灵敏度消失。 在旋转速率接近零时，灵敏度会消失。这是由于检 测器中的光密度正比于 Sagnac 相移的余弦量所引 起，即 " = "（0 l + cos!"）。2）噪声。FOG 的噪声是 由于瑞利后向散射引起的。为了达到低噪声，应采 用低相干长度的光源。3）光纤双折射引起的相位 漂移。如果两束相反传播的光波在不同的光路上， 就会产生相位漂移。造成光路长度差的原因是单模 光纤有两个正交偏振态，且两个偏振态的光波一般 以不同速度传播。由于环境影响，会使两个正交偏 振态随机变化。
（西北工业大学 自动化学院，西安 710072）
［摘 要］ 综述了光纤陀螺的基本原理，主要特点，分类情况及关键技术。阐述了国内外发展现状，同时对今 后的发展趋势作了预测。
［关键词］ 光纤陀螺；相位差；光纤 ［中图分类号］ TN253 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1006-190（8 2005）06-0004-04