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。

国产守时型原子钟长期性能分析

利用近两年半的原子钟与UTC测试数据,从时差数据、频差数据、频率漂移率和频率稳定度等方面,分别对国产和国外守时型氢原子钟、铯原子钟的长期性能(频率漂移、月频率稳定度)进行了评估和对比分析。结果表明:国产氢原子钟和铯原子钟已经具备长期稳定运行的能力,可以基本满足国内工业部门在时间频率领域对原子钟的需求。国产铯原子钟的性能与国外铯原子钟基本相当,但在长期性能方面还有一定差距,国产氢原子钟与国外最好的氢原子钟相比,性能上还略有差距。

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。

调制函数对被动型氢原子频标频率稳定度影响分析

提高被动型原子频标的频率稳定度是原子频标设计中最重要的目标,文中分别详细推导了正弦波相位(频率)调制、方波相位(频率脉冲)调制、三角波相位(方波频率)调制时对频率稳定度有影响的Bn(m)值的计算公式;在此基础上分别计算为获得最佳频率稳定度时三种调制函数对应的调制指数,并得到正弦波调制时频率稳定度最好的结果,这对原子频标伺服电路的设计提供了理论依据。

小型化星载被动型氢原子钟研制

被动型氢原子钟在具有较好中长期频率稳定度和频率漂移率的同时,体积和重量较小,可作为高精度频率标准应用于卫星导航、频率计量等领域。下一代卫星导航系统的重要特点是高密度高集成度,对包含被动型氢原子钟在内的卫星负载载荷提出了更高要求。为此,降低体积重量的同时进一步提高性能指标是被动型氢原子钟的重要发展方向。经过长期理论探索和实验验证,在小型化星载氢原子钟研制方面取得了较好进展。通过小型化腔泡系统、小型化吸附泵、高均匀度C场和高性能磁屏蔽系统的设计,以及电路部分的紧凑优化,研制了小型化星载被动型氢原子钟工程样机。在压缩重量至13.5 kg以内的同时,频率稳定度提升至8×10-13t-1/2的水平,可满足当前卫星导航系统的时频信号需求,也可更好地服务下一代北斗卫星导航系统。

星载氢原子钟用多段线圈式C场的仿真及应用

星载氢原子钟具有频率稳定度高、频率漂移率低的优点,在卫星导航定位和频率计量中得到了广泛应用。星载氢原子钟的腔泡系统用于实现氢原子的量子跃迁及其信号采集,原子跃迁信号幅度直接决定了系统的信噪比,进而影响整机性能指标,所以腔泡系统是星载氢原子钟的核心组件。目前,星载氢原子钟腔泡系统主要采用直螺线管来产生原子跃迁所需的C场。由于星载氢原子钟物理部分的结构限制,直螺线管的磁场均匀度有进一步提高的空间。探讨使用多段线圈代替直螺线管用于产生C场的可行性。首先对多段线圈产生的磁场进行理论分析计算,同时使用ANSYS电磁场仿真软件对多段线圈的各项参数进行仿真和优化,包括各段长度、段数、间距以及匝数、内径和总长度等。然后优选磁场均匀度较好的线圈配置参数,可将C场的非均匀度由直螺线管约10%降低到多段线圈约1%。根据仿真优化结果建立了试验九段线圈,对比测试了原子跃迁信号增益,同时结合电路部分进行闭环测试,对频率稳定度指标进行了对比。实验结果表明,原子跃迁信号可有效提升,阿伦方差在中短稳(1~1000 s)表现更好。此项工作为星载氢原子钟整机性能指标的进一步提升打下了基础。

氢钟开发技术和展望

由氢脉泽原理对原子频率标准目前的发展进行了分析。对主动和被动氢脉泽限制频率稳定度的基本不稳定因素进行了分析。描述确保主动和被动氢脉泽高短期和长期频率稳定的设计方法。现在,主动氢脉泽指标可达到1.10-13/s和3.5.10-16/d,被动氢脉泽指标可达到4.10-13/s和2.5.10-15/d。还讨论了氢脉泽指标的进一步改善。

氢钟测量死时间导致的光频测量统计不确定度分析

利用87Sr光晶格钟与氢钟的频率比对测量了氢钟的频率稳定度。在89%的光晶格钟有效运行率下,经过约10 d的测量得出氢钟的频率稳定度,并由此推导出氢钟噪声模型的相关参数。根据氢钟噪声模型生成的随机噪声序列,对由测量死时间导致的频差进行了100次模拟,并以模拟结果的1倍标准差为测量不确定度。不同有效运行率下,氢钟测量不确定度的计算结果表明,由氢钟测量死时间导致的不确定度随有效运行率的增加而减小,且在有效运行率小于10%时,增加总的测量时间可以显著减小测量不确定。

用于本地时标系统的铯原子喷泉钟研制

研制了一套铯原子喷泉钟系统作为精密重力测量国家重大科技基础设施的本地时标,并最终溯源到国际单位制“秒”定义.描述了铯原子喷泉钟的整体设计方案,包括真空物理系统、光学系统、微波综合链和电子学控制系统.实验上实现了原子的上抛和捕获,成功地扫描到Ramsey条纹.获得的Ramsey中心条纹线宽0.911(2)Hz,条纹对比度约为90.8%.通过将喷泉钟本地振荡器锁定到Ramsey中心条纹,并与氢钟比对,测得铯原子喷泉钟的频率稳定度为3.2×10^(-13)τ^(-1/2)(τ为测量时间).同时讨论了影响频率稳定度的各贡献项及后续提升方案.