基于物质波干涉效应的新型低温超流体陀螺关键技术研究

摘要

4He超流体的交流约瑟夫森效应和物质波干涉技术是低温凝聚态物理学领域取得的前沿研究成果，基于此技术实现超流体陀螺仪是当前世界上新概念陀螺技术研究的一个重要方向，其中，从物理效应研究到形成超流体陀螺仪理论还面临若干关键的问题。本文针对这些问题开展了研究，主要工作包括:
　　开展了超流体物质波干涉仪模型研究与实现超流体陀螺技术的分析。对4He超流体物质波干涉仪的典型基本结构和数学模型进行研究，分析了超流体物质波干涉（Sagnac环路）模块、驱动模块和振动信号输出模块的机理。开展超流体量子干涉仪敏感角速度机理的仿真，通过仿真结果分析了线性、非线性、大动态、小动态情况下输入角速度的影响特点。根据理论和仿真结果总结分析了超流体量子干涉仪实现成为陀螺的四个关键问题:角速度解算、角速度检测范围、稳定驱动和超流体干涉特性的陀螺误差性能分析等。
　　在超流体陀螺角速度检测技术方面，论文研究了两种有效的技术方案:时域分析的薄膜位移增量法;频域分析角速度解算方法。并通过解算效果的对比，优选得出时域分析的薄膜位移增量法能够直接而准确地解算得到角速度值。针对此方法产生的偏值和跳变误差，研究给出了相应的抑制误差处理，使误差水平得到了显著抑制，降低了一个数量级。该角速度检测技术解决了目前超流体干涉陀螺在有角加速度情况下角速度信息提取的问题。
　　论文研究了扩展超流体陀螺量程的问题。首先对超流体干涉仪的角速度检测范围进行了原理研究和仿真分析，总结了量程限制以及影响因素。采用加热补偿方式设计了两种工作点控制方案:幅值锁定法和历程监测法，两种方案均能有效达到扩展角速度检测范围的目的。通过仿真对比了两种方案，结果显示历程监测法综合效果更好。研究进一步提出了避免加热补偿超过超流体上限的限制补偿技术。为扩展监测灵敏度，提出了一种新型的多层多超流回路干涉盘结构，在使用同等面积的情况下，能将超流体陀螺的灵敏度和分辨率提高2～3个数量级，进一步增强了超流体陀螺在这些方面的优势。
　　对于超流体陀螺的稳定驱动和动态相差补偿，论文开展了超流体热动力学问题分析。以超流体双分量模型及其理论为基础，通过数值模拟超流管路中的非定常热扩散和势差驱动非定常对流，得到了热扩散和势差驱动对流在超流体管路中演变到稳定所需的时间（即响应滞后时间）。分析指出了势差驱动对流是动态响应的主导机理，并根据数值计算结果总结了超流体势差波传播特征和响应滞后时间与音速和管路长度的关系。首次给出了超流体陀螺干涉环路中对动态输入的响应滞后特性，并在分析掌握了热驱动和压差驱动各自优缺点的基础上，设计了一个兼顾两者优势的组合驱动补偿方案。
　　最后，研究建立了一套具有稳定热驱动、相位动态补偿、角速度位移增量提取、滞后校正模块等环节的超流体陀螺性能仿真模型。以该模型为基础开展了陀螺特性的仿真分析，分析了超流体陀螺的误差特性。结果显示，本课题新提出的新型超流体物质波干涉陀螺，在变输入角速度输入情况下的物质波Sagnac干涉信号检测方法、兼顾高灵敏度和大工作范围的超流体陀螺仪方案、超流体陀螺稳定驱动和补偿技术、动态响应滞后及校正等方面的技术方案是有效的。
　　本文基于发展新型超流体陀螺理论研究的需求，对4He超流体物质波干涉陀螺理论和方案进行了深入和系统的研究，为后续超流体陀螺的研究和工程实现提供理论基础和参考。

目录

摘要

注释表

缩略词

第一章 绪论

1．1 论文的研究背景与意义

1．2 国内外研究现状与分析

1．2．1 氦超流制冷的研究现状

1．2．2 三种主要类型的超流体陀螺机理及发展现状

1．2．3 基于超流体物质波干涉敏感角速度原理的技术优势和问题分析

1．3 论文的主要研究内容与结构

第二章 超流体的物理本质及约瑟夫森效应

2．1 引言

2．2 超流体物理本质

2．2．1 玻色-爱因斯坦凝聚态与超流性

2．2．2 4He的超流相变

2．2．3 4He超流体状态的数学描述

2．3 超流体约瑟夫森效应

2．3．1 4He超流体的小孔连接

2．3．2 4He超流体的直流约瑟夫森效应

2．3．3 4He超流体的交流约瑟夫森效应

2．4 本章小结

第三章 基于超流体物质波干涉仪原理的超流体陀螺实现方案研究

3．1 引言

3．2 4He超流体物质波干涉仪基本结构及数学模型

3．2．1 4He超流体物质波干涉仪的基本结构

3．2．2 4He超流体物质波干涉仪的数学模型

3．3 陀螺效应的仿真验证

3．3．1 结构参数的选择与模型的简化

3．3．2 角速度敏感机理仿真与分析

3．4 超流体物质波干涉陀螺的实现方案研究

3．4．1 超流体干涉陀螺仪面临的问题分析

3．4．2 超流体陀螺实现方案

3．5 本章小结

第四章 超流体物质波干涉信号中的角速度检测方法研究

4．1 引言

4．2 变角速度检测问题的描述

4．3 基于超流体物质波干涉信号的时域分析解算角速度方法研究

4．3．1 位移增量法

4．3．2 位移增量法的仿真校验

4．4 基于超流体物质波干涉信号的频域域分析提取角速度方法研究

4．4．1 FFT频率分析法

4．4．1 FFT频率分析法的仿真校验

4．5 改进位移增量时域分析提取角速度的方法

4．5．1 对跳变误差的处理

4．5．2 对积分近似误差的处理

4．6 本章小结

第五章 量程与灵敏度扩展方法研究

5．1 引言

5．2 角速度检测范围分析

5．2．1 检测范围的原理分析

5．2．2 检测范围的仿真分析

5．3 量程范围扩展方法研究

5．3．1 幅值锁定量程扩展方法

5．3．2 历程监测量程扩展方法

5．3．3 两种方法的对比分析

5．3．4 限制补偿技术

5．4 提高超流体陀螺感应灵敏度的新结构

5．4．1 基本超流体干涉环路结构

5．4．2 超流体多环路干涉栅结构

5．4．3 增强干涉效应的超流体多层多环路干涉盘结构

5．5 本章小结

第六章 超流体陀螺驱动补偿技术的动力学问题分析

6．1 引言

6．2 超流体热动力学问题的理论基础及微分方程

6．2．1 超流体热-流动力学(Thermo-Hydrodynamic)基础

6．2．2 超流体热-流动力学偏微分方程

6．3 超流体管路中动态热扩散问题数值分析

6．3．1 非定常热扩散数值计算方法及条件

6．3．2 直管和环管中超流体动态热扩散的数值分析

6．3．3 超流体管路动态热扩散特征总结

6．4 超流体管路中势差驱动动态对流问题数值分析

6．4．1 超流体非定常对流微分方程分析及其数值计算方法

6．4．2 圆环管中超流体动态势差驱动对流的数值分析

6．4．3 超流体管路势差驱动动态对流特征总结

6．5 超流体陀螺的驱动和相差补偿技术分析

6．5．1 驱动和相差补偿中动态问题的机理分析

6．5．2 超流体陀螺采用温差驱动或压差驱动的对比分析

6．5．3 设计一个综合热驱动和压差驱动优点的驱动补偿原理方案

6．6 本章小结

第七章 超流体物质波干涉陀螺的基本噪声特性与性能分析

7．1 引言

7．2 超流体陀螺噪声初步分析

7．2．1 超流体陀螺主要物理量的误差关系

7．2．2 噪声源种类与基本特性

7．3 热噪声抑制方法研究

7．3．1 热噪声对超流体陀螺影响与抑制方法分析

7．3．2 热噪声抑制的仿真与分析

7．4 超流体陀螺方案的滞后特性分析与处理

7．4．1 超流体陀螺的滞后特性

7．4．2 考虑滞后环节的超流体陀螺仿真

7．4．3 对超流体陀螺滞后的校正设计与仿真分析

7．5 超流体陀螺系统仿真模型性能分析

7．5．1 超流体陀螺系统仿真模型

7．5．2 超流体陀螺的灵敏度

7．5．3 输入角速度动态特性限制

7．6 本章小结

第八章 总结与展望

8．1 本文的主要研究工作与创新

8．2 进一步工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文