超流体物质波干涉陀螺仪的噪声研究

《超流体物质波干涉陀螺仪的噪声研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaApr．252013V01．34No．4902-908ISSN1000-6893ON11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaa．edu．cnhkxb@buaa．edu．cn超流体物质波干涉陀螺仪的噪声研究赵伟1’*，郑睿1’2，刘建业1，谢征11．南京航空航天大学自动化学院导航研究中心，江苏南京2100162．安徽工业大学电气信息学院，安徽马鞍山243002摘要：陀螺仪的精度与其噪声密切相关，为开发新型高精度的超流体物质波干涉陀螺仪，必须对其噪声进行系统研究。根据超流体陀螺噪声产生的机理，分析了该陀螺噪声的

2、来源，并把超流体陀螺的噪声类型归纳为：热、锁定值波动、温度波动、频率波动和检测元件等。在建立了各噪声数学模型的基础上，利用超流体陀螺通用的参数，对其噪声进行了分析。分析结果表明：热噪声与陀螺的结构参数和工作参数相关，与被测角速度无关；锁定值波动噪声只与结构参数相关；其他噪声与结构参数、工作参数和被测角速度都相关；检测元件、频率波动和锁定值波动噪声是构成超流体陀螺输出噪声的主要因素；在角速度变化量的范围内，超流体陀螺的输出噪声非线性变化，在1Hz的带宽下，其变化范围为一7到一6次方的数量级。关键词：超流体；陀螺仪；物质波；干涉；噪声中图分类号：V241．5；U666．1文献标识码：A文章编号：

3、10006893(2013)04090207陀螺仪是惯性导航系统的核心传感器，其精度对惯导系统的精度有决定性的作用。为适应现代惯导系统对高精度的要求，陀螺仪技术发展的重要方向之一是开发高精度陀螺仪n‘2]。基于萨格纳克干涉效应，干涉式陀螺仪不依赖传统的旋转转子，避免了由机械部分带来的误差。目前，光波干涉的激光陀螺和光纤陀螺已普遍应用于较高精度的惯导系统中[3]。与光波形成干涉类似，量子领域的物质波也可形成干涉并检测旋转。由于在同等感应面积的条件下，物质波干涉对旋转的灵敏度约是光波干涉的1010倍[4]，因此利用物质波干涉原理可以开发下一代高精度陀螺仪。2005年，Hoskinson等[5]发

4、现了超流体4He的物质波。在此之后，研究者们积极尝试了利用超流体物质波的干涉检测旋转，并研制了对旋转有高度灵敏性的4He物质波干涉仪口。1⋯。然而这些研究还处于原理验证的阶段，为开发高精度的超流体物质波干涉型陀螺仪(简称超流体陀螺)，仍需开展相关的基础性研究。近年来，学术界已有一些针对超流体陀螺的研究工作[11。15]，但是现有的研究较少涉及到该陀螺的噪声[16。，而陀螺的精度与其噪声密切相关。为充分开发超流体陀螺高精度的潜力，目前迫切需要对该陀螺的噪声进行系统研究。本文根据超流体陀螺的工作原理，研究了该陀螺噪声产生的机理，在此基础上，对超流体陀螺的噪声开展了理论研究和数值分析。1超流体陀螺

5、噪声产生机理在化学势能差△肚的作用下，超流体在弱连收稿日期：2012—05—23；退修日期：2012-11-02；录用日期：2012—11—28；网络出版时间：2012—12·0715：15网络出版地址：www．cnki．net／kcms／detail／11．1929V20121207．1515002．html基金项目：国家自然科学基金(61074162)；高等学校博士学科点专项科研基金(200802870011)*通讯作者Tel：025-84892304—804E—mail：zhwac@nuaa．edu．cn引用格式IZhaoW，ZhengR．Lit／JV．etal．Researchont

6、henoisesofsuperfluidmatterwaveinterferencegyroscope．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica，2013，34(4)：902-908越伟，郑睿，刘建韭，等．超流体物质波f涉陀螺仪的噪声研究j航空学报，2013，34(4)：902-908．赵伟等：超流体物质波干涉陀螺仪的噪声研究接处发生约瑟夫森振荡效应，产生物质波[5]：J—IcSin邸=IeSin27c争)一IcSin(27c，J￡)(1)式中：j为流过弱连接的超流体的质量流量；j。为f的最大值；h为普朗克常数；^为约瑟夫森频率；t为时间。超流体陀螺的结构如图1

7、所示。图中非阴影部分充满超流体，×的位置表示由数千个孔径为几十nm的微孔组成的弱连接。图1超流体陀螺结构Fig．1Structureofsuperfluidgyroscope薄膜与弱连接组成了内腔，其余部分为外腔。通过化学势能控制系统，对热阻R，的加热量进行控制，使得弱连接两侧产生恒定的化学势能差，因此超流体在弱连接处发生约瑟夫森振荡，产生了两路物质波J，和j：。设J1一I。。sin△乒，和12一J。zsin