FOG主要技术优势
1引言
本文简短地分析了光纤陀螺（FOG）在技术竞争方面对于高性能应用的主要技术优势，特别概述了光纤陀螺技术（FOG）对比环形激光陀螺（RLG）所具有的技术优势。在第一部分，着重说明FOG和RLG的不同和相同之处。在第二部分中，列出了光纤陀螺技术的几个优点。
2光纤陀螺仪和环形激光陀螺仪
光纤陀螺技术和环形激光陀螺技术，这部分根据参考文献[1]，[2]，[24]，特别是[18]之间的比较。
2.1光纤陀螺和激光陀螺之间的相似性和技术差异
光纤陀螺和激光陀螺技术基于相同的物理原理--20世纪发现的Sagnac效应。这种效应表明，光的传播时间沿闭环路径依赖于它的旋转速度。在以前的实验中，光循环一次沿着由反射镜限定的闭合路径，影响非常小。然而，随着激光在六十年代的的出现，在70年代出现低衰减光纤，它可以提高测量旋转速率这个物理效果。
而基于相同的物理原理，并由相似的理论性能设计的光纤陀螺和激光陀螺是不同的技术： RLG是基于在一个密封的环形腔体具有非常高的品质的反射镜的气体激光器。腔体作为有效谐振器，可以重新循环数的两个反向传播的波几千倍（具体数量取决于精确的设计）。这放大了的Sagnac效果，而且还提供了一种自然的线性，通过简单地重新组合这两个相向传播波输出，并直接测量其与旋转速度成正比的频率跳动。FOG是基于使用固态半导体光源的无源干涉仪的光纤线圈。光也可以在多圈光纤线圈中反复循环几千次（另外，线匝的准确数目依赖于精确的设计）来增强Sagnac效应。然而在这样的无源干涉仪，信号是两个逆向传播光波之间的相位差，而不是一个频率差了。原响应是一个非线性上升的余弦，但有效的全数字信号处理技术（通过专利IXSEA ）使用户可完美解决问题，并且还可以得到一个准确的低噪声线性响应，这些处理技术提供另外一个非常小的角度增量，这自然比RLG的小。
2.2光纤陀螺和激光陀螺之间的技术差异的原因
在光纤陀螺和激光陀螺中的Sagnac原理的不同的技术实现方式有几种重要的后果。
2.2.1简单可控的（FOG）与复杂的（RLG）制造生产
FOG采用电信业所开发的光学组件技术（光纤，半导体光源，集成光学仅举几例），其寿命和可靠性已被大规模地证明。FOG制造实际上是复杂的组件，为保证这些元件的质量，组件是小批量生产的 [4]。
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另一方面，一个RLG是基于精确的制造工艺的特定组件（密封腔，反射镜来命名）。激光陀螺的制造需要大量的和与明明很严格的要求复杂的生产设施，以保证最终的质量产品。
2.2.2运动部件（RLG）与固态（FOG）
在低旋转速度（通常在100℃/小时）时，一个RLG的两个反向传播的波产生阻止在零附近直接测量的锁定效应。为了克服这个盲区，实际上，一个RLG采用了机械抖动将理论速率测量噪声降低了一个数量级。它也产生振动，这需要昂贵的阻尼机制来限制声学特征的潜艇增加。用光纤陀螺，有锁在反向传播的波之间的可能性，因为它是一个被动的干涉，而不是一个积极的谐振器了。FOG是在一个非常高的动态范围的固态传感器。与其它传感器不同，FOG不会产生任何声音振动，因为它没有任何移动元件，它是在很长的一段时间内非常可靠。 2.2.3密封腔（RLG）与固态（FOG）
一个RLG是基于一个密封的腔体充满了氦气和氖气的混合物。由于空腔不能被完全密封的，有一些残留的气体泄漏限制RLG的寿命。因此，RLG需要每五至七年昂贵的改造。FOG是无泄漏，也不戴出机制的任何问题，一个纯粹的固态设备。该光纤的寿命已被证明是几十年的电信业，并即使有源元件，如光激光二极管是在20年的范围内。
2.2.4可扩展性（ FOG）与有限范围的性能（ RLG ）
在一个FOG的Sagnac效应是成正比的多圈光纤线圈的等效面积。光纤陀螺技术是容易通过仅改变长度和线圈的直径，同时可伸缩保持相同的其他光学元件。在90年代，中等性能的产品有线圈长度在几百米范围内直径为几厘米的，但今天，对于最高的性能，长度已经很容易上升到几公里直径为几十厘米。
在一个RLG，放大的谐振腔，并提高反射镜的质量，是两大的技术挑战。在实践中， RLG在性能和不适合的限制应用需要更高的性能（ SSBN导航和一些特定的空间应用）。
3光纤陀螺技术的优点
在本节中，描述了光纤陀螺技术的优势，以及与激光陀螺技术的差异。 3.1无噪声
由于陀螺没有任何抖动机构，它是一个完全无声的设备。该特点，虽然不被广泛应用，但在隐蔽的场合，例如是潜艇航行被应用。 3.2可靠性与低维护
由于陀螺是固态器件（没有移动部分，也不密封腔），它是高度可靠的，具有长寿命，不需要任何预防性维护。IXSEA光纤陀螺技术已被选定由EADS-ASTRIUM竞争技术，其长生活/低维护/高性能（[8]）超过50天雾飞行模
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型已经交付IXSEA为2010年。普朗克科学的欧洲卫星[19]采用IXSEA光纤陀螺。
Figure 1 - ASTRIX200 very high performance 4-axis FOG system for space
applications (EADS-ASTRIUM /IXSEA)
3.3高性能
相反于RLGS的抖动降低测量噪声，光纤陀螺是非常接近其理论性能，并已证明了其实现随机白噪声低至能力10^4度/小时，而RLGS在实践中至10^3度/小时[18]的限制。在过去的几年中，美国政府资助了1亿美元美元的研究项目， 开发高性能光纤陀螺用于弹道导弹核潜艇使用的[4]。光纤陀螺技术是由美国专家视为唯一的技术在未来能够取代用于SSBN机械陀螺仪[8]。IXSEA陀螺为基础的惯性导航系统MARINS已被选定由英国海军为主要为机敏级潜艇的导航参考[21]。IXSEA光纤陀螺技术已被用于高性能皆由法国航天局（CNES）地球观测卫星开发Pleiades[23]。
Figure 2 - MARINS high-performance inertial navigation system chosen by the UK Navy for ASTUTE-class submarines 3.4ITAR免费 - 技术全掌握
光纤陀螺技术在IXSEA发展起步于25年前（当时该公司所谓批hotonetics），从那时起，IXSEA已获得几个设计高性能的光纤陀螺的关键项专
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利，并且IXSEA已逐步完全光纤陀螺的集成的设计和制造过程。现在IXSEA直接控制光纤陀螺组件的关键技术完整链条，纤维的制造，以及对线圈绕组和元件的光集成。 IXSEA光纤陀螺技术已被选定为欧洲航天局（ESA）的ITAR- 技术用于高性能应用[22]。
Figure 3 –FOG fiber manufacturing at iXFiber
3.5性能成熟
FOG在世界各地的应用。2000多个陀螺为基础的惯性系统（6,000陀螺）由IXSEA生产营运中世界各地的所有类型的离岸操作的应用在3000米深度太空应用程序，历尽国防应用和土地调查申请，...（[3]，[5]，[6]，[7]，[10]，[12]，[13]，[15]）
Figure 4 - NEXTER 105 GUN equipped with iXSea inertial navigation
system
根据对现场1000多名IXSEA系统的分析（上累积2500年场）已经表明，IXSEA雾灯集成（集成在里面惯性导航使用了三个光纤陀螺系统），拥有超过500,000小时（60岁）的平均无故障时间1[17]。利顿，诺斯罗普·格鲁门公司和IXSEA的竞争对手的子公司，已售出超过20,000 LN200 FOG型制导系统的导弹应用[20]。
4总结
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FOG是一个成熟的技术和高性能应用的最佳选择。在这几年，IXSEA的 FOG系统已被用于世界各地的应用程序，确保它的用户最佳的性能和低维护成本。在IXSEA我们不断努力使我们的光纤陀螺技术和光纤陀螺为基础的系统，如MARINS在所有相互竞争的技术具有系统的最高水平。随着时间的推移，使用我们的技术和系统的客户能够减少他们的成本，受益于低维护和扩展其操作的可能性。
5参考文献
[1] The Fiber-Optic Gyroscope, H. Lefèvre, Artech House, Boston-London, 1993 [2] Fundamentals of the Interferometric Fiber Optic Gyroscopes, H.Lefèvre,Optical Review Vol.4, 1A (1997) pp 20-27
[3] Highly Compact Gyrocompass for Applications at depth up to
3000m,T.Gaiffeetal.Underwater Intervention,Int.Conference, New Orleans USA.
[4] Navy and industry investigate new super-accurate optical gyros for possible use on ballisticmissile submarines, Military & Aerospace Electronics, 2001
[5] PHINS: the first high performance inertial navigation system based on fiber optic gyroscopes,F. Napolitano and al., St Petersburg Int. Conference on Navigation System, 2002
[6] PHINS Photonic Integrated Navigation system, F. Napolitano et al., Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany, 2002
[7] Very High Performance FOG for Space use, E. Willemenot et al., Symposium Gyro Technology, Stuttgart, Germany, joint paper EADS-ASTRIUM & IXSEA, 2002 [8] ASTRIX200 – A Very High Performance FOG Inertial Measurement Unit for Accuracydemanding Satellites, EADS-ASTRIUM & IXSEA, 2002
[9] INS/GPS Technology Trends George T. Schmidt - The Charles Stark Draper Laboratory, 2003
[10] The SOFIA program: astronomers return to the stratosphere, Advances in Space Research,Sean C. Casey, Volume 34, Issue 3, Astronomy at IR/Submm and the MicrowaveBackground, 2004, Pages 560-567.
[11] FOG Technology and FOG based systems: an industrial reality at IXSEA, Y. Patureltal.,Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems, 2004
[12] MARINS, the first FOG navigation system for submarines, Y. Paturel et al.,Symposium GyroTechnology, Stuttgart, Germany, 2006
[13] MARINS, the new high performance navigation system for submarines, Y. Patureletal.,Underwater Defense Technology, 2006
[14] High Performance FOG: one design, no limitJ. Honthaas et al., Optical Fiber Sensors18 - Cancùn, October 2006
[15] In flight measurement of INS attitude and heading accuracy (LOLA project), Y. Patureletal. ,Symposium Gyro Technology, Karlsruhe, Germany, 2007.
[16] Recent investigations on FOG technology under Vibration, the way forward Inertial NavigationSystems, J. Honthaas et al. , Symposium Gyro Technology, Karlsruhe, Germany, 2008.
[17] Analyse de la fiabilité des systèmes inertiels IXSEA, F. Napolitano, 2009 [Internal Document]
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