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。

原子时尺度分析研究

守时型原子钟主要包括氢原子钟和铯原子钟,为进一步探究不同类型守时原子钟计算时间尺度相关性能,本文开展全氢钟及氢铯联合时间尺度研究。首先依据国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)发布的d公报将氢原子钟进行分类,针对分类结果分别运用原子时尺度理论方法计算全氢钟时间尺度,并给出分析结果。随后计算全铯钟时间尺度,并分析探究两种不同的氢铯联合钟组时间尺度。结果表明,基于频率漂移量较小的氢钟组形成的时间尺度波动范围小,且稳定度优于频率漂移量较大的氢钟组形成的时间尺度。氢铯联合形成的时间尺度稳定度优于全铯钟时间尺度,不同的氢铯联合钟组计算得到的时间尺度结果相近。

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。

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。

原子钟频差数据去噪算法的研究

为降低原子钟频差的噪声,根据其数据非线性非平稳的特征,将整体经验模态分解用于原子钟频差去噪算法。首先将原子钟频差数据叠加一定强度的白噪声;然后进行经验模态分解,如此重复多次;最后将各分量叠加求平均得到去噪的原子钟频差序列。从时域和频域上分别分析了该算法的去噪效果,并与小波阈值去噪算法进行了比较。结果表明,该算法有效地去除了原子钟频差数据序列中的噪声,将方差由小波算法的2.707%降为0.7263%,数据变得更加平稳。

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。

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。

高精度原子钟频率稳定度测试仪的研制

扼要介绍了几种针对高精度频率源（氢钟）的频率稳定测试条件的工作原理及系统结构，并给出了部分指标，其中，双混频时差工法测试仪精度可达2×10^-13/s，周期法测试仪精度可达1×10^-13/s.

基于氢闸流管感应叠加技术的电磁脉冲源实验

介绍了一种基于感应叠加技术的重复频率脉冲源,分析了同轴屏蔽输出结构磁场的分布。实验时,充电电源工作电压为25 kV,脉冲输出重复频率为20 Hz,2个氢闸流管器件参数相差较大,栅极触发时钟存在约5 ns延时。实验结果表明:氢闸流管触发稳定可靠,输出的脉冲前沿及稳定性仍然不受影响,输出脉冲幅值约为50 kV,证明了感应叠加技术应用于气体开关的可行性。

修正的阿伦方差对调相闪烁噪声的抑制

在时频领域内,普遍采用阿伦方差来表征频率稳定度,但阿伦方差对于调相闪烁噪声的抑制能力有其本身算法的缺陷。提出了用修正阿伦方差来表征频率稳定度,以降低噪声对频率稳定度的影响。分析并研究了修正的阿伦方差对调相闪烁噪声的抑制机理。通过卫星共视时间比对试验,对氢原子钟与原子时标国家计量基准的比对数据进行评估,利用噪声模型对评估结果进行论证。验证了修正阿伦方差对于调相闪烁噪声抑制的有效性。

氢原子钟壁移的测量和消除

指出了克服氢原子钟壁移问题的必要性.给出了一种测量氢钟壁移的简易方法,讨论了减小壁移的技术.该文的方法和技术有助于进一步改善氢原子钟的长期稳定度.

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。

高精度原子钟频率稳定度测试仪的研制

扼要介绍了几种针对高精度频率源 (氢钟 )的频率稳定度测试设备的工作原理及系统结构 ,并给出了部分指标。其中 ,双混频时差法测试仪精度可达 2× 10 - 13/s,周期法测试仪精度可达 1×10 - 13/s。

上海天文台原子频标研究50年

中国科学院上海天文台1958年开始原子频标的研究,先后研制成功氨分子钟和各种类型的氢原子钟,并实现主动型氢钟的商品化生产。迄今为止,已经研制生产主动型氢钟60多台,广泛用于科学技术各领域。该文简单介绍了上海天文台原子频标的发展、性能指标的改进和氢钟的应用概况,并对今后的发展前景进行了展望。

基于EMD的氢钟频率预报方法研究

目前用于时间保持的主要频率源类型是铯钟和氢钟。氢钟具有优良的短期稳定度和良好的低噪声特性,非常适合做主钟频率源。然而绝大数氢钟具有明显的频率漂移,使氢钟的长期稳定度随着时间的推移不断降低。因此在时间保持应用中,必须对氢钟的频率偏差和漂移进行准确的预测,才能充分发挥其作用。本文利用经验模态分解方法提取氢钟频率变化的趋势项,实现氢钟频率预报,并利用该预报频率对其输出信号进行模拟驾驭。结果表明:该方法正确、有效,不仅保持氢钟短稳优秀的特性,而且改善了其长期稳定度。

被动型氢原子钟单频调制原理分析

单频调制技术具有调制频率高、环路参数限制小的优点,对降低原子钟环路噪声、提高中短期频率稳定度具有重要的意义。文章基于被动型氢原子钟,讨论了频调制技术的应用并进行了相应的理论计算分析,为今后该技术的进一步应用提供参考。

关于氢原子钟的钟差预报研究

原子钟钟差预报对于守时系统稳定运转有着重要的意义,其可为系统实时时间尺度计算提供基础,为原子钟异常值检测提供参考。氢原子钟短期稳定性较好,常作为系统主钟参与原子钟比对,开展氢原子钟钟差预报研究。为更合理有效的实现氢原子钟钟差预报,提出针对氢原子钟不同频率漂移情况选择不同预报模型方法,随后开展钟差预报组合模型研究,给出常规加权组合模型,运用条件极值法推导出极值权组合模型,同时提出等权组合模型,对比分析各自组合特点、预报结果,给出预报组合模型建议,最后计算时间尺度并与传统方法进行对比,结果表明依据本文钟差预报方法计算得到的时间尺度稳定度在平均时间为64 h的稳定度达4.96×10-15,128 h的稳定度达2.36×10-15,较传统方法计算得到的时间尺度长期稳定度提升。

国产SOHM-4型氢钟长期性能分析

针对目前对国产氢原子钟性能评估,尤其是对国产氢钟长期在线运行性能评估相对缺乏的问题,提出1种氢钟性能评估方法:以上海天文台研制的国产SOHM-4型氢钟为例,基于连续相位比,对数据对其性能进行评估;通过分析由频率准确度、频率漂移率和频率稳定度指标组成的评估模型,达到对国产氢钟长期在线运行性能精确评估的目的。结果表明,在长达2 a多的连续运行中,国产SOHM-4型氢钟的频率准确度基本优于5×10^-13、频率漂移率优于1×10^-14/d,且线性关系不明显,频率稳定度在±2.5℃温差环境影响下,以天稳计算,大概率处于1×10^-14~2×10^-14之间。

氢脉泽调制技术和研究

对于氢原子钟,由于微波谐振腔的腔牵引效应以及外部环境温度的变化,影响谐振腔的振荡频率,导致氢原子钟长期频率稳定度降低。为了修正这种情况,使用腔自动调谐方式实现谐振腔的频率稳定在工作频率上。目前国内外主要采用的腔自动调谐技术包括3种:外部探测信号调谐方式、微波腔频率开关调谐方式和Qa调制方式。对外部探测信号调谐方式和微波腔频率开关调谐方式进行分析,并在上海天文台SOHM-4型外部探测信号调谐方式的基础上进一步探索微波腔频率开关调谐方式。基于数字信号处理器进行电路设计与程序开发,最终在SOHM-4型氢原子钟上实现腔自动调谐。

氢钟信号传输后的末端噪声过滤

低相位噪声、高频率稳定度的10 MHz氢钟信号(HCS)是精密测量物理实验中不可缺少的微波频率基准。HCS在经过一定距离的传输后,由于受到周围电磁噪声和振动的干扰,其相位噪声和短期频率稳定度会恶化.介绍了一种过滤HCS传输后的末端噪声的方案,用于改善HCS的相位噪声和短期稳定度。该方案基于将恒温高稳晶振(OCXO)相位锁定到HCS上,使氢钟1 s内的相位噪声和频率稳定度由OCXO决定,而长期稳定度跟随HCS。经过该过滤方案后,HCS的功率从-4.4 dBm放大到5 dBm,末端相位噪声本底降低约10 dB,且消除了所有高于1 Hz的干扰.该系统可在不对实验室氢钟及其信号传输网络做改动的情况下,有效提高HCS频率的纯度,进而提高精密测量实验的精度.