高性能磁选态光检测铯原子钟的研究

介绍了一种新型的可搬运铯原子钟,采用非均匀磁场进行选态,采用与4-5循环跃迁线共振的激光进行检测。介绍了此方案的物理系统、光学系统和电路系统。进一步展示了基于此方案原子钟的整机与指标,最佳整机体积4U,稳定度达到4×10^(-13)@100 s,4.5×10^(-14)@10000 s,2.2×10^(-14)@1 d,优于可搬运铯钟典型产品5071A优质型。将此方案与磁选态磁检测铯原子钟和光抽运铯原子钟进行了对比,并给出了此方案的优点与待解决的问题。最后介绍了两种针对磁选态光检测铯钟的可行性改善,一种为采用3-2循环跃迁线检测的反选型原子钟,一种为采用光抽运-磁选态的混合选态型原子钟,有望进一步提升稳定度指标至稳定度低于3×10^(-13)@100 s。

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。

氦气渗透导致铷原子钟频率漂移的计算与分析

氦气渗透导致的铷原子钟吸收泡内铷原子与氦气碰撞频移发生变化,从而影响铷原子钟频率漂移率.为了量化分析这一影响,选取厚度为1 mm,直径为1.8 cm,长为1.6 cm,工作温度为65℃的圆柱型玻璃气泡为例,通过数值方法模拟了派热克斯玻璃(Pyrex,康宁7740)与低氦渗透的铝硅酸盐玻璃(ASG,康宁1720)原子气泡内氦气压随时间的变化规律.计算结果显示,对于Pyrex气泡,铷原子钟工作约12年后,氦渗透致频率漂移率降低至<1.0×10^(-14)/天;而ASG气泡铷原子钟在其寿命期间内的氦渗透致频率漂移率始终<3.0×10^(-17)/天,其对铷原子钟漂移率的贡献可忽略不计.该计算方法同样适用于其它种类气体在不同玻璃材料的渗透过程研究.

高性能铷原子钟的高精度频率漂移补偿研究

铷原子钟可靠性高、体积小、功耗低,在导航、通信等领域被广泛使用.尤其对于导航卫星星载铷原子钟,发展至今具有了优异的稳定度性能,但其固有的频率漂移特性(约E-12~E-13/天)会恶化其长期性能,影响卫星自主守时能力.通过对高性能铷原子钟的频率数据进行充分分析,评估可能导致频率漂移的物理机制,提出一种高精度频率漂移补偿的方案并开展了实验验证.结果表明,在无外部驯服情况下60天内高性能铷原子钟的漂移率可保持E-15/天量级,天稳定度达到E-15量级(Allan偏差),极大提升铷原子钟的自主守时能力.

铯原子钟电子倍增器可调高压电源设计

电子倍增器用来放大并输出铯原子的跃迁信号。倍增器电源是其重要组成部分,针对电子倍增器在增益变化及衰减情况下的供电需求,提出了一种基于分流调整电路结合倍压整流电路的高压电源设计方案,该方案在低压部分采用分流调整技术实现了电源输出电压控制;采用变压器结合多级倍压整流电路对电压放大输出,实现了电源可调电压范围在-306~-3 150 V和低输出纹波,电源的遥测电路实现了输出电压遥测。星载铯原子钟经过长期在轨测试,测试结果表明,本设计的电源在控制范围内实现了宽范围电压输出和遥测,低于3.23 V的电源纹波,保证了铯原子钟稳定度指标。

机动状态下国产铯原子钟稳定性分析

车载机动状态下的守时系统可以满足一些特殊应用场合的实际需求,其核心部分便是原子钟。主要利用守时车辆在三级道路上移动前后的数据,分析了国产小型铯原子钟在无溯源车载机动状态下的动态Allan标准偏差(ADEV)以及噪声的幂律谱,为未来国产小型铯原子钟的移动应用提供支撑。结果表明,铯原子钟车载机动状态对铯原子钟的频率稳定度有一定的影响,ADEV的采样时间τ为1~1000 s频率稳定度最大恶化了1.15×10^(-11),恶化约一个数量级;采样时间τ≥1000 s稳定度恶化相对较小,最大恶化了8.74×10^(-13),恶化一倍左右。在噪声方面,铯原子钟机动状态主要受到白色调相噪声的影响。

GPSⅢ星载原子钟长期性能评估

为评估GPSⅢ星载原子钟的长期性能,对其数据特性和时频特性进行分析。结果表明,GPSⅢ星载钟存在相对固定的频率漂移,均值为(4.7±0.1)×10^(-14)/d;拟合噪声整体保持长期稳定,均值为(2.0±0.007)×10^(-10)s,但存在约200d的波动周期;频率准确度在运行前期波动较大,但之后进入相对稳定状态,均值为(7.3±0.5)×10^(-12);千秒稳、万秒稳和天稳的均值分别为(2.5±0.02)×10^(-14)、(5.9±0.04)×10^(-15)和(4.2±0.04)×10^(-15);卫星钟差存在近似于卫星轨道周期1倍、2倍或1/2倍的显著周期项;GPSⅢ星载钟性能较GPSⅡF整体有改进和提升,但除准确度指标之外的整体性能稍逊于BDS-3和Galileo。

基于全球导航卫星系统应用的光频原子钟发展现状与可用性分析

随着光频原子钟技术迅速发展,光频原子钟不确定度已超越微波原子钟性能4~5个数量级,达到了10^(−19)数量级,在可靠性和小型化方面也不断提升,使得未来全球导航卫星系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)搭载光频原子钟成为可能。介绍了几种GNSS光频原子钟的工作原理及国内外的研究进展,从稳定度、集成度及影响稳定度的因素等方面总结了几种光频原子钟的性能,并将四种光学时钟(离子光钟、光晶格钟、双光子跃迁光频原子钟、基于碘调制转移谱光频原子钟)与目前GNSS上搭载的四大导航系统进行比较,讨论了光频原子钟的应用潜力,并提出了各光频原子钟的发展建议。针对提升离子光钟和光晶格钟可靠性的需求,提出了通过提高激光器和超稳腔的稳定性、降低核心器件环境敏感性的建议。针对提升原子束光频原子钟稳定性的需求,提出了提高原子束利用率、进一步迭代实验等方案。针对提升双光子跃迁光频原子钟和调制转移谱光频原子钟的长期稳定性的需求,提出了结合真空技术及人工智能降低频率漂移率的解决方案。

微型CPT原子钟泵浦方法试验研究

CPT原子钟是一种基于相干布居囚禁(CPT)原理的小型原子钟,其不含微波谐振腔的特点有利于降低物理系统的体积与功耗。为探索适用于微型CPT原子钟的泵浦方法,在物理系统体积、功耗和复杂度的限制下,选出单一圆偏振光、平行线偏振光和椭圆偏振光三种方法。基于6 mm×6 mm×6 mm的微型87Rb原子气室,搭建桌面系统测得三种方法下CPT共振信号的线宽和信噪比数据。结果表明微型CPT原子钟更适合采用椭圆偏振光方法。

北斗与GPS系统在轨原子钟钟差数据分析与评估

在卫星导航系统中,原子钟是时间测量的基准和核心组成部件,其性能直接决定导航、定位和授时的质量。在轨原子钟性能评估是保证卫星导航系统正常运行的前提和基础,对于原子钟产品性能改进具有重要的参考价值。介绍了原子钟性能评估的主要参数和评估方法。分析和对比了北斗与GPS原子钟钟差数据,结果表明:北斗二号与GPS相比,铷原子钟的准确度、稳定度和漂移率有一定的差距;北斗三号搭载了铷原子钟和氢原子钟,性能指标均有较大的提升,氢原子钟10天稳定度和天稳定度普遍达到了10^(−15)量级,其性能指标与GPS相当;最新的GPS Block IIF型卫星搭载的铷原子钟长期频率稳定度有了显著的提升,国产铷原子钟的性能指标还有进一步提升的空间。

原子钟时域频率稳定度评估方法

在对原子钟基本运行原理阐述的基础上,针对当前原子钟时域频率稳定度评估方法研究不全面、不具体的问题,作全面、系统的研究,包括阿伦方差、重叠阿伦方差、修正阿伦方差、时间方差、哈达玛方差、重叠哈达玛方差、总方差和理论方差等8种计算评估类型,给出了标准公式,描述了适用范围,总结了特点规律。重点利用上述8种方法对某实验室的原子钟进行实例计算和验证,根据得到的不同类型原子钟的稳定度评估结果,分析了每种方法的评估效果,归纳了不同评估方法的应用特点、规律及适用范围,得到了哈达玛方差可明显去除氢钟频率漂移的影响,修正阿伦方差能更好区分调相白噪声和调相闪烁噪声类型等具体结论。

国产激光管在磁选态光检测铯原子钟中的应用研究

在科学仪器国产化背景下,为了改变磁选态-光检测型铯原子钟仍依赖进口激光管的现状,进行国产DFB-LD激光管在磁选态-光检测铯束管上的应用和外差法拍频测试,并分析其与国外TOPTICA Photonics DFB-LD激光管之间的差别。结果显示:国产激光管线宽为1.999 MHz±6 kHz,频率稳定度为1×10^(-11)@100 s,采用国产激光管可以在国产铯束管上实现标准型应用指标(1.45×10^(-12)@100 s),这为进一步提升国产激光管的性能提供了思路和借鉴。未来需要进一步压窄国产激光管线宽,以实现更高的小型铯束钟指标。

国外空间原子钟发展研究

空间原子钟包括磁选态原子钟、脉冲光抽运原子钟、相干布居囚禁原子钟、离子阱原子钟和冷原子钟。文章介绍了这5类空间原子钟的发展情况,其中:磁选态原子钟是当前卫星导航系统广泛采用的空间原子钟;脉冲光抽运原子钟已经在美国GPS-3卫星上应用;相干布居囚禁原子钟是脉冲光抽运原子钟的一种特例,其优势在于体积小、质量小、功耗低;离子阱原子钟具有很高的精度,目前其天稳定度已经达到10^(-17);冷原子钟基于近绝对零度下原子的物理特性和量子光学测量技术,具有极高的准确度和稳定度,发展与应用前景广阔。分析了空间原子钟的发展趋势,如激光冷却、量子频率光学测量与环境控制,将成为空间原子钟发展的支撑性关键技术。针对我国空间原子钟的发展现状和技术水平,提出了挖掘现有原子钟潜力、瞄准原子钟前沿技术等建议。

AM信号数字解调在原子钟误差处理中的应用探讨

目前所有的原子频标都是基于原子或者离子的共振跃迁而实现的,利用了量子能级间跃迁的标准频率。在我国目前得到大量工程应用的微波原子钟之一为氢脉泽原子钟,其拥有异常出色的长期频率稳定度。精确地测定原子的频率,则需要对氢脉泽信号进行处理。由此引出探讨一种方法,是如何将基于被动型双频探测机理的氢脉泽信号,以及原子钟相应的微波腔频率控制信号通过数字解调的方式提取出来,经过数模采样后通过软件算法反馈实现伺服控制,锁定后输出稳定基准频率源。

新型原子钟为船舶精确校时

美国导航和通信设备制造商Vector Atomic公司开发出一种超精密且坚固的新型原子钟。在最新一期《自然》杂志上,开发团队报告了该原子钟的开发和海上测试情况,其性能可与最好的商用原子钟相媲美,但封装体积要小得多。随着船舶仪器越来越复杂,其背后的技术也越来越依赖于精确计时,例如:导航所用的无线电定位系统。这种系统在测量卫星之间的信号传播时,非常小的时间误差就可能导致数百米的定位误差。当用于军舰时,可能会带来严重后果。目前,船舶上所用原子钟虽然稳定,能适应晃晃悠悠的船上工作,但它们的精确度远不及研究实验室中所用的原子钟。现在,研究团队开发出了可以弥补这种差距的时钟。

基于WUM精密钟差产品的BDS-3星载原子钟性能评估

导航卫星星载原子钟的在轨性能直接影响导航系统定位、导航与授时(Position, Navigation and Timing, PNT)服务的精度和稳定性。基于武汉大学MGEX分析中心发布的精密卫星钟差产品,对BDS-3卫星星载原子钟的频率稳定性、钟差预报精度和钟速变化特征开展了分析评估。对GPS III和Galileo FOC卫星的星载原子钟性能开展分析,并与BDS-3的星载原子钟性能进行了对比。结果表明,BDS-3 PHM的平均天稳定度为4.62×10-15, 7 d钟差预报精度为2.3 ns, 10 d钟率变化为1.79×10-14s/s,其长期性能优于GPS III和Galileo FOC星载原子钟。值得指出的是,BDS-3 C19 RAFS的在轨性能远优于其他BDS-3 RAFS。

BDS/GPS新型铷原子钟长期特性分析

铷原子钟具有体积小、功耗低等显著优势,被广泛应用于导航卫星。基于星载铷钟技术发展迅速、BDS和GPS新型铷钟性能尚未得到全面分析的研究现状,对两大系统自2017年后发射的16颗星的铷钟进行了长期特性分析。以GFZ中心提供的BDS精密钟差和IGS中心的GPS最终钟差产品为数据基础,根据卫星钟工作原理确定了各表征部分的分析方法。系统特性方面,通过最小二乘拟合计算了卫星钟的短中期漂移率与频率准确度;随机特性方面,对逐日拟合残差序列进行了计算与长期变化趋势分析,通过重叠Hadamard偏差计算了卫星钟稳定度,分析了不同时段的主导噪声类型;周期特性方面,利用频谱分析方法计算了卫星钟长期表征的主周期项,综合轨道误差和运行等因素分析了周期项可能原因。结果表明:BDS/GPS新型铷原子钟的频率准确度达到10-12量级,秒漂和日漂分别达到10^(-19)和10^(-14)量级,万秒稳定度介于1.82×10^(-14)~2.98×10^(-14)之间,天稳定度普遍达到10^(-15)量级,逐日拟合残差精度达到0.1 ns~0.2 ns;所有卫星钟差序列周期特性显著,前三个主周期近似为卫星轨道周期的1倍、2倍和3倍左右。

国产氢原子钟移动守时性能测试与分析

为了进一步研究国产氢原子钟在移动状态下的守时性能,比较静态、动态下氢钟性能的差异:对比分析使用比相仪和计数器采集数据效果的差异;再对比分析氢原子钟在静止和移动状态下频率稳定度的差距;然后测试分析氢原子钟由移动状态进入静止状态初期的频率稳定度;最后对原子钟的3种主要噪声进行分析。结果表明,在短期稳定度方面,计数器采集数据的阿伦方差远大于比相仪采集数据的阿伦方差,相差约2个量级;移动状态下,氢钟频率稳定度降低1个量级左右,短期稳定度下降到10^(-12)量级;由移动过程向静止过程转换的过程中,氢钟钟差数据的阿伦方差处于静止和移动状态下的阿伦方差之间,短期稳定度与静止状态下的阿伦方差处于同1个量级,可以达到10^(-13)量级,但这一阶段频率稳定度的波动较大;移动状态下,3种主要噪声均有增加,调相白噪声的增加量最大,说明调相白噪声对振动比较敏感,移动期间其对频率稳定度的影响较大。

原子钟频率稳定度评估方法综述

原子钟通过稳定的频标来测量时间,但频标输出信号会受到不同来源噪声的影响,因此原子钟间相位偏差可以看作服从幂律∑hαfα的连续随机过程。该随机过程并非平稳的,一般是通过高阶的差分使得序列平稳化,常用的时域频率稳定度评估方法便是采用此种思路。幂律噪声实际是对白噪声过程进行微分和积分得来,不同幂律的噪声对应不同的随机微分方程,实际上幂律噪声的仿真也是通过白噪声基于此实现的。首先介绍了不同幂律噪声的鉴定方法,并结合文献给出常见幂律噪声对应的微分方程;然后介绍了不同频率稳定度评估方法之间的关系和其相应的传递函数,并简单总结了其置信区间的计算方法。该文的工作有助于构建原子钟随机模型和频率稳定度评估方法。

氢原子钟的数字温控设计

为了实现氢原子钟的数字温度控制,基于温度检测和控制的基本原理设计一套有两级控温(包括氢钟内炉和外炉)的恒温控制系统,温度控制系统主要由电桥电路、模数转换电路、温度计算和比例积分微分(Proportional-Integral-Derivative,PID)控制系统,脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)输出电路、加热丝组成。在环境温度21℃到25℃时,实现了数字温控系统0.002℃的温度稳定度,证明了数字电路对氢钟控温的可行性。