哈尔滨工业大学专业学位硕士论文
摘要
随着我国国防现代化事业的飞速发展，以光纤陀螺为代表的惯性器件在海陆
空天各个领域的需求也在日益提升，干涉式光纤陀螺凭借自身无转动部件、可靠性
高、使用寿命长等优势在惯性测量领域占据着十分重要的地位。当前，在光纤陀螺
朝着高精度、小型化发展的过程中仍然面临着一些问题：偏振误差是光纤陀螺光路
中普遍存在的一项较为显著的非互易性误差源，必须采取适当的方案抑制偏振误
差对陀螺输出的影响。光纤陀螺的温度稳定性也是制约光纤陀螺精度提升的一个
非常重要的因素，分析温度变化对光纤陀螺输出的影响，给予适当的温度补偿对于
提高光纤陀螺的温度稳定性十分重要。
针对上述问题，本文开展“干涉式圆保偏光纤陀螺偏振特性及温度性能研究”，
主要研究内容如下：
（1）设计基于圆保偏光纤的偏振误差抑制光路。从光波振幅分量的角度推导
陀螺光路中由于偏振交叉耦合引起的相位误差，在此基础上，结合圆保偏光纤的特
殊优势以及光路中光波偏振态的转换设计一种基于圆保偏光纤的偏振误差抑制光
路，实现光纤环内、外偏振误差的双重抑制。
（2）开展圆保偏光纤陀螺全光路偏振误差研究。通过对光路中偏振模耦合效
应的仿真分析和陀螺非互易性误差的计算，阐述外界环境作用下光路中产生偏振
误差的本质原因。建立了圆保偏光纤陀螺琼斯矩阵模型，并以圆保偏光纤的双折射
为自变量，光路中偏振误差导致的陀螺误差相移为因变量，对所建立的琼斯矩阵模
型进行计算求解，验证圆保偏光纤对于陀螺偏振误差具有较好的抑制能力。分析引
入的线偏振器对于光路中偏振误差的抑制效果，从而论证所设计的光路在光纤环
内、外的偏振误差抑制能力。
（3）开展圆保偏光纤陀螺温度性能研究。对温度变化导致的圆保偏光纤折射
率和线性双折射的变化进行仿真分析，推导温度变化导致的圆保偏光纤陀螺非互
易性相位误差表达式。分析温度变化对λ/4光纤波片相位延迟量的影响，进而得出
温度变化条件下λ/4光纤波片相位延迟量和圆保偏光纤线性双折射对陀螺输出相
移的相反作用效果，利用λ/4光纤波片能够补偿温度变化导致的线性双折射对陀螺
输出的影响，实现圆保偏光纤陀螺温度致非互易性误差的自补偿。
（4）开展圆保偏光纤陀螺偏振特性及温度性能实验验证。首先搭建圆保偏光
纤陀螺系统并进行光路性能的测试。针对圆保偏光纤陀螺的偏振特性，分别测试了
不同温度下圆保偏光纤陀螺和具有同等光纤环长度的线保偏光纤陀螺的零偏稳定
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性，圆保偏光纤陀螺相比于线保偏光纤陀螺精度有所提高，验证了抑制光路偏振误
差对于提高陀螺精度的重要作用。针对圆保偏光纤陀螺的温度性能，分别进行圆保
偏光纤陀螺和线保偏光纤陀螺的高低温实验对比测试，测得圆保偏光纤陀螺的零
偏稳定性为0.051°/h，线保偏光纤陀螺的零偏稳定性为0.082°/h，圆保偏光纤陀螺
相比于线保偏光纤陀螺精度提高了37.8%，验证了圆保偏光纤陀螺具有较好的温度
性能。
关键词：圆保偏光纤；偏振误差；温度性能；陀螺精度
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Abstract
Withtherapiddevelopmentofmycountrysnationaldefensemodernization,the
demandforinertialdevicesrepresentedbyfiberopticgyroscopesinvariousfieldsofsea,
land,airandspaceisalsoincreasing.Interferometricfiberopticgyroscopeshavethe
advantagesofnorotatingparts,highreliability,andlongservicelife.