光钟与氢钟联合的时间尺度算法研究

光钟的频率稳定度和不确定度达到了10-18量级,使其有望成为下一代的时间频率标准,并可能用来重新定义国际单位“秒”.时间尺度作为准确、连续标记时间流逝过程的基准,是高精度时间产生的基础.时间尺度的产生需要依赖连续稳定运行的原子钟,而光钟作为实验室原型设备,一般不能连续运行,因此光钟参与时间尺度计算是个难点问题.提出将Vondrak-Cepek组合滤波算法应用在光钟与氢钟联合计算的时间尺度,以解决间歇运行的光钟参与时间尺度计算的难点问题.首先利用氢钟的时差数据,采用ALGOS算法计算获得连续稳定的氢钟时间尺度.其次利用Vondrak-Cepek组合滤波算法将氢钟时间尺度与光钟的数据综合,获得光钟参与计算的联合时间尺度.最终试验结果证明, Vondrak-Cepek组合滤波算法有效提升光钟与氢钟联合时间尺度的性能,该时间尺度与协调世界时(Coordinated Universal Time, UTC)的时间偏差达到亚纳秒量级.

基于NIM-Sr1光晶格钟驾驭氢钟产生本地时标的研究

光钟在生成高性能原子时标方面有很大的潜力。本文介绍了以中国计量科学研究院(NIM)的NIM-Sr1光晶格钟为参考生成本地时标的基本思路,评估了实验室目前用作飞轮振荡器的HM57氢钟的噪声参数。针对NIM-Sr1光晶格钟作为基准钟长期间歇运行时的运行率和时间分布,设计了对测量数据的分段处理方式。通过对2022年9月和10月NIM-Sr1光晶格钟与HM57氢钟比对数据的后处理,生成了光钟驾驭的纸面时标TS(P),其在60天内相对于TT(BIPM22)的最大时间偏差为0.7 ns,验证了驾驭方法的可靠性。搭建了以NIM-Sr1光晶格钟为参考驾驭HM57氢钟生成本地实时物理时标的实验系统,并评估了2023年4月生成的实时物理时标TS(R)的性能,其在30天内相对于UTC的最大时间偏差为0.89 ns。

10 MHz氢钟信号传递系统

为满足同一科研园区内不同建筑之间10 MHz氢钟信号(HCS)长期稳定度共享的需求,提出了一种低成本、集成化的基于光纤链路的10 MHz HCS传递完整解决方案。该方案采用1 GHz的射频信号对激光光强进行调制,利用光纤实现信号传递。通过将远端反射信号与本地信号和频后直接与待传递的HCS分频鉴相,输出误差信号反馈控制1 GHz信号的频率,实现远端1 GHz信号与本地HCS之间的相位锁定,从而使远端1 GHz信号具有与本地HCS相同的频率稳定度;之后再通过分频器在远端生成10 MHz信号,作为射频参考输出。实验验证了该方案的频率传递保真度,该系统在200 m往返光纤上的附加频率稳定度(艾伦偏差)为1 s平均时间2.4×10^(-13)和10000 s平均时间5.7×10^(-17);在20 km传递距离上,附加频率稳定度(艾伦偏差)为1 s平均时间4.8×10^(-13)和10000 s平均时间2.1×10^(-16)。研究结果表明该系统的长时间频率传递稳定度优于HCS的频率稳定度,可以满足千米范围内氢钟信号共享的需求。

守时钟组中氢钟频率可预报性分析

氢钟和铯钟是国际原子时的主要守时钟,在2014年国际权度局(BIPM)改进ALGOS预报和权重算法之后,具有稳定频率漂移和良好可预测性的氢钟逐渐在国际原子时计算中占据主导地位。分析研究201809/202108三年内BIPM发布的中国科学院国家授时中心(NTSC)氢钟频率及漂移数据,对国家授时中心氢钟稳定性及可预报性进行量化评估,结果表明:频率漂移标准差小于0.1 ns/d/30 d且频率预测误差均方根小于0.2 ns/d的氢钟可以在自由原子时计算中长时间取得较高权重。

星载氢钟VLBI观测实验及分析

中国计划于2025年左右建立月球轨道VLBI(Very Long Baseline Interferometer)测站,将会搭载被动型星载氢钟作为时间频率标准.由于是首次在VLBI观测中使用星载氢钟,需要研究和验证其可行性.因此,利用星载氢钟作为频率基准开展了VLBI观测.实验时,分别使用主动型地面氢钟和被动型星载氢钟作为频率基准,利用上海天文台佘山25m射电望远镜和其他测站对我国火星探测器天问一号进行了交替VLBI观测.数据处理分析结果表明,基于地面氢钟与星载氢钟的VLBI残余群时延标准差均在0.5ns以内,表明星载氢钟可满足深空探测VLBI测定轨的精度要求,验证了其作为月球VLBI测站频率基准的可行性.

被动型小氢钟的试验研究

介绍了上海天文台被动型小氢钟的设计和研制 ,给出了初步的测试结果。这种小氢钟应用了电极负载腔。在伺服环路上采用被动的工作方式和腔的自动调谐 ,用方波调制的方法得到误差信号。和传统的主动型氢钟相比 ,它的整体体积减小 ,重量降低。经过初步测试 ,这种被动型小氢钟的频率稳定度为σ(2 ,τ) =1 0× 10 - 1 1 τ- 1 2 (1s<τ <5× 10 4 s)。

被动型氢钟超均匀C场的计算与优化

针对被动型氢钟超均匀C场设计问题,提出了一种数值计算和优化方法.利用Biot-Savart定理、高斯定理及安培环路定理,分别得到圆柱形磁场筒的轴线磁感强度解析式以及轴线外磁感强度的级数表达式,并利用所得公式,通过数值计算的方法得到了整个磁场筒内部磁感强度的数值解.采用在磁场筒的两端各加上2组补偿线圈的方法补偿有限长螺线管线圈两端的磁感下降,并且根据数值计算结果优化补偿线圈的各个参数,使得磁场筒中心轴线上磁场相对均匀度优化达到了99.8%以上,且整个储存泡空间区域内磁场相对均匀度达到了99.5%以上.最后,得出了一套合理优化的C场磁筒的加工参数.为提高原子谱线的信噪比奠定了基础.

基于频漂校准的氢钟铯钟联合守时研究

在没有外部溯源链路,利用氢钟铯钟联合守时的情况下,针对注重短期稳定度的场合,加权平均算法分配铯钟权重较小,不能充分发挥铯钟长期稳定度的问题,论文提出一种两级卡尔曼滤波算法生成本地原子时:第一级卡尔曼滤波利用铯钟长期稳定度好的特性,计算氢钟的频漂并且对氢钟频漂校准,第二级基于频漂校准后的氢钟和铯钟数据采用单状态变量的卡尔曼滤波算法生成本地原子时.实验结果表明,算法生成的原子时在保持短期稳定度的前提下,长期稳定度得到一定提升:十天稳的提升在10-15量级,月稳的提升在10-14量级.说明论文所提出的算法生成的本地原子时长期稳定度更好.

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。

被动型氢钟流量变化对长期频率稳定度的影响分析

为提高系统的长期频率稳定度(它是被动型氢钟的一个重要指标),设计了一种实验,用以分析在不同微波腔谐振频率下,氢气流量变化对输出频率的影响。通过实验发现微波腔的控制电压存在一个调谐点,在调谐点附近,流量变化对输出频率的影响变小。但是对于单频系统,如何将微波腔锁定在调谐点附近以及如何减小流量的影响和提高系统的长期频率稳定度还需要进一步探索。

利用数字伺服实现被动型氢钟单频锁定

介绍了一种用于被动型氢钟单频调制的数字伺服电路,实现了系统的锁定,测试了中短期稳定度。最后分析了D/A的位数对其稳定度的影响。

氢钟守时应用

通过对氢钟时差测量数据的二次差分,获得频率漂移的准确量值后对氢钟时差测量数据进行修正,经过频率漂移修正后的氢钟数据在保持其良好短稳特性的基础上长稳性能得到了较大提升,达到或超过性能中上的高性能管的商品铯钟5071A的常稳指标,这种处理方法能提高守时氢钟对时间实验室所保持的时间尺度的贡献。

被动型氢钟频率稳定度与频率漂移特性分析

原子钟存在频率的漂移,这种漂移主要由内部器件造成,包括由量子结构造成的频率漂移、相检及运放造成的漂移等。分析被动型氢钟的频率漂移首先需要判断其主要噪声类型,其次选择合适的拟合方法计算漂移率,再用实验验证该拟合方法的可行性。

上海天文台研制的氢钟及其应用概况

介绍了上海天文台生产的实用型氢钟的设计特点、性能指标以及它们的应用概况。

被动型星载氢钟H型气体电离模型及参数优化

针对被动型星载氢钟气体电离装置低功耗、低电磁干扰的设计要求,设计了一种基于平面盘绕馈能天线的H型电离系统,并建立该电离方法的数学模型。首先,由Maxwell方程出发,推导出了电离泡中的电场和磁场的分布模型,得到气体电离机制;再由电磁场的分布方程推导出氢气击穿判据表达式,建立了气体电离条件的数学模型;最后,利用电离击穿条件判据方程优化了电离装置的设计参数。数值仿真与测试表明该模型是有效的,采用优化的设计参数可以使电离功耗和电磁干扰特性得到改善,且电离直流电源总功率可小于2W。

新型被动氢钟电极式微波腔的设计和仿真

在计算机仿真软件的帮助下,设计并优化了一种用于被动型氢钟的新型电极式微波腔,其具有腔Q值高、微波场分布优越、结构简单实用、腔频调节方便、结构强度大等优点,可用于高性能被动氢钟的研制。

基于DSP与FPGA的被动型氢钟数字伺服系统的研究

基于DSP和FPGA的特点,设计了被动型氢钟数字化伺服系统,实现了对误差信号的处理。采用先进的DSP和FPGA芯片,提出了新的解决方案,整个系统由FPGA控制DSP工作并实现最后的信号输出,文中对其硬件结构和软件流程进行了阐述。

氢钟钟罩及真空机组的改进设计

本文介绍了氢钟钛合金钟罩的设计制作以及机械泵─分子泵前级真空机组的改进设计．由于钛是一种崭新的工程金属，用钛合金制作的真空钟罩由于采用了较正确的工艺手段，具有强度高、重量轻、在真空中放气率低、无磁、外表美观和经济实惠等优点．而前级真空机组，由于采用了不锈钢波纹管及卡箍结构，无粗大的真空橡皮管，也改善了氢钟的真空条件．钛合金钟罩及改进型前级真空机组的应用对氢钟钛离子泵的启动及系统真空度的提高起了一定的作用．

氢钟守时应用

介绍了国际和国内氢钟守时的进展概况 ,并进行了一些讨论。

用于被动型氢钟的高精度控制器设计

根据被动型氢钟数字伺服系统的特点,设计并实现了高精度数字伺服系统。硬件电路采用了高速DSP处理芯片,两种DA转换芯片组合实现了最小步长10μV范围10 V的控制输出,高速AD转换芯片可以满足被动型氢钟慢速调制和快速调制的要求。整个系统以较低的代价达到了设计要求,并进行了硬件测试,结果表明控制电路满足输出要求。