《光纤陀螺信号检测与处理》介绍了光纤陀螺信号检测和处理的基础理论核心技术及工程方法。全书共9章。第1章对光纤陀螺基本原理、技术发展和产品应用进行了概述；第2～4章凝练了光纤陀螺涉及的微弱信号检测、数字滤波及数据建模等知识；第5章介绍了陀螺信号调制和解调技术；第6章讲解了信号检测系统的组成、软硬件要素及关键参数分析等内容；第7～9章讨论了检测系统典型误差及其抑制技术。
　　《光纤陀螺信号检测与处理》从光纤陀螺信号检测的研究和工程实践出发，提炼了传感器和仪器信号检测的通用理论、共性技术，既可供从事陀螺和惯性系统研发的技术人员使用，也可作为仪器、光学、电子和自控等专业高年级本科生和研究生的教材或参考书。

第1章 绪论 1
1.1 光纤陀螺发展概况 1
1.1.1 概述 1
1.1.2 高精度光纤陀螺的研究和应用 3
1.1.3 轻小型光纤陀螺的研究和应用 5
1.2 光纤陀螺最小互易结构 10
1.3 光纤陀螺典型光路结构 12
1.4 光纤陀螺基本信号检测方案 14
1.4.1 开环陀螺和开环信号检测 14
1.4.2 闭环光纤陀螺和数字闭环信号检测 16
1.5 光纤陀螺多轴组合配置 17
1.5.1 轻小型三轴光纤陀螺组合配置 17
1.5.2 高可靠多轴光纤陀螺组合配置 19
1.6 光纤陀螺关键指标简述 22
1.6.1 零偏类指标 22
1.6.2 噪声指标 23
1.6.3 标度因数类指标 24
1.6.4 其他主要指标 24

第2章 光纤陀螺中的微弱信号检测方法 28
2.1 数字化检测中的抗混叠方法和采样策略 28
2.1.1 抗混叠滤波器 28
2.1.2 外差变频 32
2.1.3 多转换器结构 34
2.2 随机噪声特征及信噪比分析 35
2.2.1 随机噪声统计特征 35
2.2.2 白噪声 37
2.2.3 等效噪声带宽 39
2.2.4 信噪比分析 41
2.3 相关检测技术 42
2.3.1 相关检测理论基础 42
2.3.2 正弦波相关检测 43
2.3.3 方波相关检测 45
2.4 微弱信号的调制和解调 47
2.4.1 调制、解调的作用和原理 47
2.4.2 调制、解调的应用和效果 49
2.5 闭环检测和偏置工作点控制 51
2.5.1 微弱信号的闭环检测 51
2.5.2 偏置工作点控制技术 53

第3章 光纤陀螺中的数字滤波技术 56
3.1 经典数字滤波技术 56
3.1.1 数字滤波器概述 56
3.1.2 离散时间系统模型 57
3.1.3 离散时间系统结构 62
3.1.4 IIR数字滤波器设计 68
3.1.5 FIR数字滤波器设计 70
3.2 数字式逐点平均扫描 73
3.2.1 逐点平均扫描原理 73
3.2.2 逐点平均扫描性能分析 75
3.2.3 逐点平均扫描的实现 75
3.3 其他数字滤波技术 76
3.3.1 中值滤波 76
3.3.2 奇异值滤波算法 78

第4章 光纤陀螺中的数据建模技术 80
4.1 经验建模技术 80
4.1.1 经验建模的概念 80
4.1.2 经验模型的评价 83
4.1.3 经验模型的简化 84
4.2 随机信号线性模型 86
4.2.1 线性信号模型概述 86
4.2.2 自回归模型 88
4.2.3 其他线性模型 90
4.3 随机信号建模技术 92
4.3.1 随机信号建模概述 92
4.3.2 随机信号建模步骤 94

第5章 光纤陀螺调制、解调技术 104
5.1 方波偏置调制 104
5.1.1 相位调制原理 104
5.1.2 方波调制与解调 105
5.2 阶梯波反馈调制 107
5.2.1 相位反馈原理 107
5.2.2 阶梯波反馈调制原理 108
5.2.3 偏置调制与反馈调制组合 110
5.3 拓展的调制技术 111
5.3.1 四态调制技术 111
5.3.2 倍频调制技术 116
5.3.3 随机调制技术 118
5.3.4 组合调制技术 119
5.4 多轴光纤陀螺分时调制原理 121
5.4.1 深度分时调制 121
5.4.2 时移分时调制 122
5.4.3 开关分时调制 123

第6章 光纤陀螺信号检测与处理系统 125
6.1 数字闭环信号检测系统 125
6.1.1 数字闭环信号检测概述 125
6.1.2 数字闭环信号检测系统结构 126
6.1.3 检测系统小型化技术 129
6.2 信号检测系统数字量表示法 131
6.2.1 数字量编码方式 131
6.2.2 定点数表示法 133
6.2.3 定点数运算和操作 134
6.3 信号检测系统核心器件指标 136
6.3.1 检测系统主要器件简介 136
6.3.2 检测系统中ADC的关键指标 136
6.3.3 检测系统中DAC的关键指标 141
6.4 信号检测系统关键参数分析 143
6.4.1 前置放大和滤波电路参数分析 144
6.4.2 ADC和DAC转换速度的选择 146
6.4.3 ADC和DAC转换精度的讨论 147
6.5 光纤陀螺输出数字滤波器 150
6.5.1 输出数字滤波器实现 150
6.5.2 输出信号抽取和抗混叠滤波 155
6.5.3 输出滤波的其他方法 158

第7章 光纤陀螺信号检测误差 161
7.1 检测误差分析 161
7.1.1 形成检测误差的条件 161
7.1.2 检测误差的主要来源 162
7.1.3 检测误差的传播途径 163
7.2 检测误差测试验证 165
7.2.1 检测误差传播途径和来源测试验证 165
7.2.2 阶梯波对检测误差的影响分析 168
7.3 调制串扰误差 171
7.3.1 调制串扰误差模型 171
7.3.2 调制串扰误差对陀螺的影响分析 173
7.3.3 调制串扰误差验证 177
7.4 方波调制误差 178
7.4.1 方波调制误差建模 178
7.4.2 方波调制误差对陀螺的影响分析 180
7.5 从信号检测的角度分析陀螺温度误差 182
7.5.1 检测误差温度特性模型 182
7.5.2 影响检测误差温度特性的参数 184

第8章 光纤陀螺信号检测误差抑制技术 188
8.1 时域梳状滤波解调 188
8.1.1 时域梳状滤波原理和实现 188
8.1.2 时域梳状滤波性能分析 190
8.2 调制串扰误差抑制技术 192
8.2.1 随机相位调制原理 192
8.2.2 随机相位调制实现和验证 194
8.2.3 周期附加相位抖动技术 196
8.3 第二闭环控制阶梯波复位电压 197
8.3.1 阶梯波复位误差对陀螺性能的影响 197
8.3.2 第二闭环控制的精度分析与实现 200
8.4 检测噪声分析及抑制技术 201
8.4.1 检测系统噪声特性分析 201
8.4.2 检测噪声抑制技术 202

第9章 光纤陀螺温度误差补偿技术 205
9.1 标度因数和偏置温度误差联合补偿原理 205
9.2 温度误差模型参量选择与数据预处理 207
9.2.1 模型输入量选择 207
9.2.2 建模数据测试与预处理 209
9.3 基于多元线性回归模型的温度误差建模 211
9.3.1 多元线性回归模型 211
9.3.2 标度因数温度误差建模 211
9.3.3 偏置温度误差建模 212
9.4 基于RBF神经网络的温度误差建模 215
9.4.1 温度误差的RBF神经网络模型 215
9.4.2 RBF神经网络建模 216
9.5 检测误差和温度误差抑制综合实现 218
9.5.1 温度误差实时补偿实现 218
9.5.2 检测误差抑制技术综合实现 221

参考文献 223

光纤陀螺是一种兼具高精度、轻小型、高可靠等优点的惯性敏感器，是运动物体导航、制导和姿态测量的核心部件，目前广泛应用于车辆、飞机、船舶、导弹、卫星和机器人等领域。中低精度光纤陀螺技术产品和应用已经成熟，而高精度光纤陀螺正在从实验室走向工程应用。
　　在光学传感器中物理原理是传感和测量的源头和基础，光路结构和信号检测则是实现物理信息有效提取的两个最重要的技术手段。对于包括光纤陀螺在内的大多数光学传感器，需要敏感的物理量是非常微弱的，必须辅以精密、合理的（有时甚至是巧妙的）信号检测方法才能将物理量从复杂环境中有效提取或恢复出来。因此，微弱信号检测和处理在传感器和仪器仪表领域一直是重要的研究方向，在光纤陀螺研制领域中也是一个关键理论和技术分支。目前，国内外已经出版了多部光纤陀螺专著，对光纤陀螺进行了较全面和系统的介绍，包括基本原理、典型方案、光路误差光学器件、信号检测、制造工艺、性能测试等方面，内容覆盖光学、器件、电路和导航等多个学科领域，侧重基本原理和基础知识的介绍。本书分专题讨论光纤陀螺信号检测的相关理论、技术和应用，总结了光纤陀螺信号检测原理和方法，凝练了光纤陀螺中微弱信号检测和处理的通用技术深入讨论了信号检测系统设计方法、软硬件要素和检测误差，并结合工程实践给出了抑制检测误差改善陀螺性能的实用技术手段。本书基于笔者二十余年光纤陀螺研究成果和工程应用经验，从信号检测和处理的角度讲解光纤陀螺，兼顾理论性和实用价值，并将专业性和通用性很好地结合，使读者能以新视角、新思路去更深刻全面地理解光纤陀螺。
　　本书由北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院金靖教授策划、统稿，金靖撰写了第2、3、4、6、7章，王晓伟撰写了第l、5章，李铁志和金靖共同撰写了第8、9章，王晓伟和李铁志对全书公式推导仿真计算和测试数据进行了校验。
　　书中很多研究成果都是在团队领导和同事的指导及帮助下完成的，课题组历届博士、硕士研究生也为本书部分内容做出了贡献，在此一并表示衷心感谢。还要特别感谢家人的理解、鼓励和支持。由于作者水平有限，书中尚存缺点和遗漏之处，恳请读者提出宝贵意见以帮助作者提高水平和完善书稿。
　　著者
　　2025年8月