基于最优控制理论的国产光抽运小铯钟频率控制算法

原子钟频率控制是时间保持工作中的关键技术.当前守时工作中的频率控制主要针对国外微波钟采用开环控制算法,但由于国产光抽运小铯钟(下称国产钟)的工作原理和性能不同于国外同类型原子钟,因此该算法不能很好适应国产钟.为了提升我国标准时间的自主性和安全性,本文基于国产钟的噪声特性,在最优控制理论的框架下研究了线性二次高斯控制算法,该算法属于闭环控制算法,从同步时间、频率控制准确度和频率控制稳定度方面研究国产钟性能,最后分析了不同控制间隔对国产钟性能的影响.结果表明随着二次损失函数中约束矩阵W_(R)的增大,同步时间延长,控制准确度降低,控制短期稳定度提高.W_(R)相同情况下,随着控制间隔的增大,同步时间延长,控制准确度降低,控制短期稳定度提高,对于W_(R)=1时,控制间隔为1 h的同步时间为5小时,控制准确度为1.83 ns,1 h的Allan偏差为1.81×10^(-13);控制间隔为8 h的同步时间为28 h,控制准确度为4.48 ns,1 h的Allan偏差为1.48×10^(-13).控制国产光抽运小铯钟的中长期稳定度都得到提高.

小型磁选态铯原子钟性能测试数据的统计与分析

LIP Cs-3000是一种国产的小型磁选态铯原子钟,在时频计量、卫星导航等领域获得应用。对近期交付的LIP Cs-3000性能测试数据进行统计与分析,得到了准确度的分布与范围,同时得到了峰谷比、信噪比、Ramsey线宽等指标的分布。从理论上估计了铯原子钟输出信号的稳定度指标范围,验证了该范围与实际测量相符。同时对电子倍增器电压每日增幅进行了统计,结合装铯量给出了LIP Cs-3000铯钟倍增器寿命的分布。统计与分析结果不仅有助于磁选态铯钟的性能提高,也有助于其他小型铯原子钟的性能提升。

卫星同步时钟的设计

介绍一种基于TDC-GP2芯片测量时间间隔的新型全球定位系统——北斗锁定二级频标系统.给出了系统的总体设计方案、软硬件设计方法,运用卡尔曼滤波算法并结合线性平均的方法对噪声进行估计、滤波,采用ACAM公司生产的通用型TDC-GP2芯片对卫星锁定二级频标系统的时间间隔进行测量,通过增加一路分频输出信号,使测量范围扩展到-3.25～+3.25ms,时间分辨达到50ps.实验结果表明,锁定时输出频率准确度优于10-12(24h平均值),频率稳定度优于10-11/s.与传统的频标锁定系统相比,具有电路简单、调试方便、测量范围宽、附加噪声小、精度高等优点.

一种新颖的铯原子钟频率信号处理的线路技术

针对传统频率信号处理仅把相位处理局限于相同频率标称值的情况,基于相位群同步和群连续的原理,使得相位处理适合于复杂频率信号之间,包括取样时间间隔(相位差)测量、处理和锁相控制等方法来改善原子钟的系统结构.该方法与传统的频率归一化及相位处理的方法相比,在简化系统的频率变化线路的情况下,通过简单的相位群同步的锁相控制,得到的原子钟输出信号有好的准确度和长期稳定度指标,以及优良的短期稳定度和相位噪声指标.

守时用小型氢原子钟的研制

本文报告了一种守时用小型氢原子钟的设计和研制。该钟应用了一个精密的电容式谐振腔，由于其体积很小，从而使钟的整体体积和重量较通常的氢钟大大减小。腔的Ｑ值采用正反馈获得增益，从而能维持氢脉泽振荡并改善信号的信噪比。由于采用了腔频自动调谐系统，钟的长期稳定度可与通常的氢钟相比。

正弦振动条件下原子钟的频率稳定度分析

振动对原子钟(原子频标)的影响可分为对原子谐振的影响、对伺服环路的影响和对晶体振荡器(晶振)的影响.在振动频率范围内,晶振的输出相位噪声只与晶振的加速度灵敏度、峰值加速度和振动频率有关,与静态相位噪声没有关系,但在振动频率范围之外,晶振的输出相位噪声就是其静态相位噪声.由原子钟的稳定性传递到输出晶振的频率稳定度公式,就可通过伺服环路把晶振的振动分析融入到原子钟的振动分析之中.利用相位噪声转换为阿仑方差的积分公式,根据留数定理推导出直接计算阿仑方差的解析表达式,得到增加伺服环路带宽可以有效抑制振动对原子钟频率稳定度影响的结论;分析了通过减振和选择加速度灵敏度较小的晶振这2种方法改善原子钟振动性能的问题.

相干布居囚禁现象用于原子频标

在Λ型三能级原子系统模型的基础上,采用半经典的密度矩阵方法分析了87Rb气体的相干布居囚禁现象。数值模拟结果显示,当两束相干激光频率差等于87Rb原子的两个基态超精细结构子能级频率差时,87Rb气体具有相干暗线和相干微波辐射的特性。它们可以作为相干布居囚禁原子频标的鉴频物理基础。最后简要分析了两种相干布居囚禁原子频标的各自特点和实验装置结构。

铷原子频标物理部分改进

本文对星载铷原子频标物理部分进行技术改进。改善磁控管微波腔的结构,使信噪比得到了提高;优化了物理部分光路系统,使光电探测信号强度提高了25%。此外,通过Ansoft HFSS仿真软件建立了微波腔的模型,对腔内场型分布和谐振频率进行了仿真,数字仿真和性能测试显示这种微波腔的谐振模式为TE011模式,且拥有较大的质量因子。最后,对改进后的铷原子频标系统进行了初步测试,发现短期稳定度达到了6.0×10^(-13)τ^(-1/2)(τ为取样时间)。研究结果表明,改进后的物理部分满足铷原子频标的研制需求,适合应用于高性能的星载铷原子频标。

浅析一次调频及其与AGC的配合问题

一次调频是电网系统维持频率稳定的重要手段之一,由于水电站监控系统与水轮机调速器是相互独立的设备,这就导致监控的AGC或有功闭环调节的调节目的与调速器的一次调频目标有时会相互矛盾,因此要求一次调频和AGC做好协调工作。文章简述一次调频的基本概念,重点分析了一次调频的重要作用及与AGC的区别,以及其调节过程中与AGC的不同配合方式。

改进铷原子频标中微波功率频移的试验研究

微波功率频移是影响铷原子频标中长期稳定度的重要因素之一。本文对形成铷原子频标中微波功率频移的机理进行分析研究,对铷原子频标的C场场强、光强和微波场强的均匀性进行优化改进,以减小铷原子频标的微波功率频移敏感性。通过试验测试,进一步验证了形成铷原子频标微波功率频移的机理;总结了铷原子频标微波功率频移的主要特点;并得出在铷原子频标信噪比最大处,铷原子频标的微波功率频移系数优于3.5×10-12 dB-1。

相关零拍法相位噪声谱测量系统的研究与实现

本文主要是研究相位噪声的测量原理和测量方法。文章针对传统零拍测量法在提高相位噪声谱测量灵敏度方面所面临的困难 ,提出并实现了一种利用相关技术原理结合零拍法的测量新方法——相关零拍测量法。文中的理论分析与实测数据都表明 :相关零拍测量法与零拍测量法的测量结果一致 ,但测量灵敏度提高了 8d B,预计还可提高到 15 d

光纤频标传递系统的稳定度仿真

为了评估光纤频率传递的性能,仿真分析了几种主要因素对传递系统稳定性的影响,得到了与相关精密测算一致的结果。理清了频标稳定度损失的来源与机理,证实除强度噪声外几种主要因素的影响大小均与频标的中心频率无关。总结得出,强度噪声是影响频标短期稳定度的最大因素,而消除温度的影响是提高长期稳定度的关键所在。对于常用的日稳定度在10E-16量级的原子频标,要在100km的传递距离上实现近似无损失的传递,必须采取有效的温度补偿措施。

加速度对晶体振荡器的影响及补偿技术研究

晶体振荡器作为基准频率源,在电子设备中发挥着重要作用。晶体振荡器对加速度具有敏感性,振动、冲击、离心力等作用均会导致其输出频率失稳。讨论了加速度影响晶体振荡器频率及相噪的机理,介绍了目前降低加速度效应的常用措施,并提出一种基于数字补偿系统的新方法。

氢钟在守时钟组配置中的应用研究

氢钟因其良好的低噪声特性,被广泛应用于高精度时间/频率测量和比对。对于物理信号噪声特性要求较高的时间实验室,氢钟已经成为守时钟组不可或缺的频率源。然而由于物理结构和工作方式等多方面的原因,氢钟具有明显的频率漂移特性,此外氢钟的价格较铯钟更为昂贵,因此氢钟的数量成为守时钟组配置中急需解决的核心问题。本文首先分析了氢钟在守时钟组配置中的必要性,然后通过建立守时钟组优化配置数学模型,利用多个时间实验室的原子钟数据资料,采用统计学的方法,提出守时钟组的多种配置方式。并通过分析比较不同配置方式下的守时钟组性能,提出稳定度一定的条件下,中小型时间实验室的守时钟组最优配置方案。

频率稳定度与守时钟组配置关系研究

通过对中小型守时实验室对时间尺度稳定度的需求分析,以目前主流守时钟5071A为例,利用国际权度局公布的原子钟数据,研究不同钟组配置与时间尺度稳定度的关系,为中小时间实验室守时钟组的优化配置提供参考依据;权重确定是原子时算法的关键之一,通过对不同数量、不同取权规则的原子时计算结果进行统计分析与比较,提出中小时间实验室原子时尺度算法中的取权原则。

一种小型频率选择表面结构设计方法

提出一种小单元尺寸频率选择表面的设计方法。该方法基于多面互耦合原理对结构进行传输线等效,根据等效模型可对小型选择表面的传输特性进行较精确的计算。利用提出的等效模型方法,建立结构与模型的参数化关联,可由给定的传输特性输入条件直接计算结构参数,简化了设计过程。

一种低温度敏感性铷频标物理部分研究

物理部分是原子频标的核心部件,对温度变化比较敏感。因此,温度敏感性是铷频标稳定度提高的一个重要限制因素。以一种改进型铷频标物理部分为研究对象,在分析温度波动对铷频标稳定度影响的基础上,提出了改进铷频标物理部分温度敏感性的措施。通过试验验证,这些措施能够有效地降低铷频标物理部分温度系数。

基于DSP的小型化高精度频标比对系统研制

针对传统双混频时差法测频的局限性,提出了一种差拍数字化精密频率测量方法,基于正弦差拍技术、同步采样技术和数字信号处理技术设计实现了一种新型频标比对系统,可实现对5 MHz、10 MHz等频标信号的比对测量。实验结果证明,测量10 MHz频标信号时系统本底噪声约为1×10-12/s。系统拥有测量精度高,体积小以及成本低的特点,在时频测量领域具有良好的推广和应用价值。

光电器件在原子频标光电检测环路中的应用研究

在被动型原子频标中,光电检测环路是连接物理系统与电子线路间的桥梁,它将物理系统的原子纠偏信号转换成伺服检测电路用信号,整个光电检测环路中主要噪声来源是光谱灯及光电池器件。作为整个物理系统核心光源的光谱灯,其工作参数的稳定与否直接影响原子频标的频率稳定度。而光电池在将光信号转换为电信号的过程中,其内部热噪声、散粒噪声、闪变噪声是决定整个转换过程好坏的关键。针对光谱灯及光电池特性,本文对诸如灯温、灯泡中气体比例,电磁兼容、腔温、调制深度、调制频率等环路参数作了具体的设置的工作,通过光强稳定性、鉴频曲线等实验测试结果选择最佳的参数值,原子频标的稳定度测量实验结果说明本文取得满意的成果。