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。

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。

氢原子钟双选态束光学系统仿真分析

氢原子钟利用氢原子基态超精细能级跃迁信号进行精确计时,具有中短期频率稳定度优异、频率漂移率低的特点.氢原子钟需要通过磁选态将高能态原子选出,目前广泛应用的磁选态方案中,既有原子钟跃迁所需要的|F=1,m_(F)=0>态,还有钟跃迁所不需要的|F=1,m_(F)=1>态氢原子,这使得氢原子钟的中长期频率稳定性难以进一步提高.为了进一步提高氢原子钟原子跃迁谱线质量和整机性能,通过计算和仿真,构建了基于Majorana跃迁的氢原子钟双选态束光学系统,优化了一级选态区、态反转区、二级选态区等关键部件的参数,进一步排除了|F=1,m_(F)=1>态原子.选态后的|F=1,m_(F)=0>态原子纯度达到99%,利用率为58%,工程应用较为理想.有效地提升了进入原子储存泡内|F=1,m_(F)=0>态氢原子的占比,同时原子的利用率处于可控范围.通过实验对该方案的有效性进行了验证,通过开启双选态系统,可以观察到氢原子钟信号的增强;通过调整双选态系统的线圈电流,可以观察到信号随线圈电流的变化,这验证了双选态系统的有效性.

主动型氢原子钟数字电路控制系统研究

主动型氢钟在频率稳定度和漂移率等方面优于目前在轨的星载被动型氢钟,但是存在体积重量较大的缺点。为进一步降低电路部分重量,本文提出一种基于数字电路的系统控制方法。该方法通过分析影响主动型氢原子钟频率稳定度的因素,使用数字检波、数字下变频、数字锁相环等数字化方式进行腔自动调谐和晶振锁相,提高了电路系统集成度和灵活度,降低了电路体积和重量。实验结果显示,设计的数字电路控制系统实现了恒温晶振频率的锁定和谐振腔谐振频率的锁定,其秒频率稳定度为2.6×10^(-13),较模拟电路控制系统提升了30%,万秒频率稳定度指标接近,具有一定的工程实用价值。该方案可用于下一代北斗导航卫星星载氢钟设计,也可用于深空探测和脉冲星计时等应用场景。

脉冲星对氢原子钟的频率驾驭算法研究

氢原子钟具有较高的短期稳定度,将其作为主钟可在短期内产生高精度的本地时间信号.但氢钟存在频率漂移现象,导致其长期稳定度较差,从而影响本地时间的准确性.毫秒脉冲星自转高度稳定,借助于其长期稳定度高的特性,可定期实现对氢原子钟的频率驾驭,并对实时信号加以控制.首先分析了国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)第二批发布数据中四颗毫秒脉冲星的稳定度随时间的变化,同时采用哈达玛方差分析了中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)一台氢钟的频率稳定性能,最终给出了利用脉冲星驾驭氢原子钟频率的方法.

基于光频标的氢原子钟频率驾驭系统软件设计

光频标和氢原子钟联合守时的时间系统需要集成仪器控制、数据采集、原子钟性能评估等功能,解决光频标的有效运行率低对氢原子钟频率驾驭的影响,因此,设计了基于光频标的氢原子钟频率驾驭系统软件。软件使用可互换虚拟仪器驱动和网络通信实现设备间的数据交互,采用中位差(Median Absolute Deviation,MAD)方法的数据预处理策略完成测量数据的异常点检测,并利用Alglib数值分析和数据挖掘函数库完成核心程序编写。实验表明,在光频标的有效运行率为80%的条件下,氢原子钟驾驭后产生的时间信号与UTC的同步精度小于2.5 ns。

基于改进型BP神经网络的氢原子钟钟差预测

原子钟的钟差预测是原子钟时标计算和原子钟驾驭的关键环节,良好的钟差预测可明显提高原子钟时标和原子钟驾驭的精度。为进一步提高氢原子钟的钟差预测精度,本文提出了一种改进型的BP神经网络算法,并用中国计量科学研究院守时实验室氢原子钟组的实际数据进行了验证。验证结果表明,本文提出的改进型BP神经网络钟差预测算法与目前采用的线性回归钟差预测算法、SVM钟差预测算法相比,显著地提高了氢原子钟钟差预测精度。该钟差预测算法的提出对提高原子钟时标和驾驭精度有很好的推动作用。

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。

氢原子钟的设计改进与性能

氢原子钟是至今为止除极短时间测量间隔之外最稳定的频率标准 ,由于环境温度的变化及谐振腔老化而引起谐振腔频率的变化 ,导致氢原子钟长期性能降低。为了减小这些影响需借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上 ,改善氢原子钟的长期性能 ,日稳定度可达到 1.0× 10 - 1 4 。这篇文章描述了上海天文台研制的氢原子钟的技术改造与性能。

南山VLBI站氢原子钟的研制与性能测试

氢脉泽是至今为止除极短时间测量间隔之外最稳定的频率标准，它是甚长基线干涉测量仪（ＶＬＢＩ）中的一个关键设备．这篇文章将描述上海天文台为中国ＶＬＢＩ网南山站研制的氢脉泽的性能．

被动型氢原子钟储存泡口原子分布计算及应用

为了获得被动型氢原子钟高、低能态氢原子经四极磁选态器偏转后在储存泡口的分布规律,建立了更加贴近实际情况的分布模型.利用统计学方法,一定温度下的氢原子出射速度采用麦克斯韦分布,出射角度近似采用均匀分布,并结合氢原子在四极磁选态系统中的运动规律,通过数值计算得到了距四极磁选态器出口一定距离处高、低能态氢原子的三维分布密度.应用该分布模型,计算得到收集高能态氢原子的泡口优化半径与聚焦距离之间的关系,为储存泡的加工和聚焦距离的设计提供了依据,可以使得高能态原子被最大程度聚集,低能态原子被偏离,从而提高谐振腔内跃迁信号的功率.

氢原子钟的频率驾驭算法研究

以氢钟作为主钟系统的频率源,可产生短期稳定度更好的本地时间UTC(k),氢钟通常具有频率漂移效应,这使得氢原子钟的长期稳定度随着时间的推移不断降低,进而影响UTC(k)的稳定度与准确度.为解决这一问题,比较分析了氢钟和铯钟的性能,改进了氢钟参与时间尺度计算的算法,并提出了基于主钟为氢钟的频率驾驭算法.通过搭建试验系统,编制相关的软件,对该算法进行了检验.测试结果表明当氢钟参与原子时计算时,可有效改善参考时间尺度的短期稳定度,同时主钟频率源为氢钟比主钟频率源为铯钟产生的本地时间UTC(k)具有更好的短期频率稳定度.

氢原子钟的钟差预报方法研究

卫星钟差预报精度直接影响导航系统的性能,由于氢钟具有良好的短期稳定性和低噪声特性,所以星载原子钟的物理特性可以借鉴氢原子钟钟差序列建立的预报模型进行研究。基于NTSC的氢钟资源,分别采用Kalman滤波模型、ARMA模型和二次多项式模型对原子钟钟差进行预测,并应用实测数据进行了验证,给出了不同预报模型在2~7 d的预报精度。研究结果表明,应用Kalman滤波模型预报的钟差,在所有预报时段上较ARMA模型和二次多项式模型均能获得更好的预测精度。

被动型氢原子钟吸气剂泵的应用研究

描述了上海天文台在2008年为提高被动型氢原子钟真空系统的可靠性所研制的由非蒸散型吸气剂泵和小离子泵组成的复合泵的实验过程,吸气剂泵在室温下吸收2.1MPa.l的H2气后仍可达到3.2×10-5Pa的真空度,2l/s的离子泵电流工作在0.30μA,证明了复合泵可以维持氢钟13年以上的正常工作。经过再激活固定了激活工艺,吸气剂最终吸氢6.0 MPa.l仍没有饱和,证明了吸气剂的强大吸氢能力。至今复合泵已成功应用在4台被动型氢钟上。

主动型氢原子钟吸气剂泵的实验研究

为提高上海天文台的主动型氢原子钟真空维持系统——240 L/s钛溅射离子泵3～4年就可能出现的可靠性问题,研制了非蒸散型吸气剂泵和2 L/s小离子泵组成的复合泵。描述了复合泵的实验过程,吸气剂在450℃激活,在室温下吸收6.3 MPa.L的氢气后仍可达到5.9×10-5 Pa的真空度,2 L/s的离子泵电流工作在0.7μA,证明了复合泵可以维持主动型氢钟10年以上的正常工作。

流动VLBI站氢原子钟的研制与性能测试

氢脉泽是射电天文所必需的频率标准 .文中对为流动VLBI站研制的新一代氢脉泽的物理结构特点进行了讨论 ,包括对腔泡结构、磁屏蔽、原子束光学系统等 .同时性能测试表明在 80秒到 1天之间频率稳定度优于 1× 1 0 - 1 4 .

新型国产氢原子钟的设计改进及其在守时中的初步应用

氢原子钟是一种稳定的频率标准,环境温度变化及微波谐振腔的老化比较容易引起其输出频率的变化,从而导致钟的长期性能变差.上海天文台针对这些年来许多氢钟出现的相关的问题,结合国外氢钟实验室的经验,对谐振腔自动调谐器、温度控制的设计进行了改进以改善氢原子钟的长期性能.描述了为国家授时中心守时系统所研制的氢原子钟的技术改造特点与所达到的性能指标及在守时中的应用结果.

影响氢原子钟长期稳定度的系统效应分析

进一步改进氢钟的频率稳定度,需要了解影响频率稳定度的各个过程及其影响的相对大小。讨论影响氢钟频率稳定度的各种系统过程。这种分析能够使钟的研制者和用户去识别稳定度的限制因素并加以选择以便改进。

基于氢原子钟组的复合控制算法的研究

原子钟组的控制算法对原子钟组的稳定度和准确度有着直接影响,良好的原子钟组控制算法对原子钟守时系统有着重要作用。为进一步提升原子钟的稳定度,在国内首次将钟差预测用于氢原子钟组控制中,提出了一种氢原子钟的预控制算法,并结合现行的滞后式控制算法,形成了对氢原子钟组的复合控制算法。用实际氢原子钟数据对复合控制算法进行了实验验证,验证结果表明,该复合控制算法的性能要优于现行滞后式控制算法。该复合控制算法的提出对提高我国原子时的稳定度有很好的推动作用。

脉冲微波式氢原子钟的研究进展

在传统被动型氢原子钟基础上，利用复杂可编程逻辑器件（CPLD）控制数字衰减器产生两个相干脉冲微波，激励氢原子发生Ramsey干涉，从而压缩原子跃迁谱线宽度，提高被动型氢原子钟稳定度性能。利用单片机控制直接数字频率合成器（DDS）产生扫频信号，可以得到完整的Ramsey条纹。目前已观测到Ramsey条纹并成功将原子跃迁谱线宽度压缩至1．2Hz，仅为传统被动型氢原子钟线宽的40％。