中国科学院国家授时中心光晶格锶原子光频标研究进展

介绍了中国科学院国家授时中心光晶格锶原子光频标研究的工作,主要包括锶原子的两级冷却与俘获,光晶格装载,钟跃迁探测,拉比振荡的测量以及基于光频测量的精密测量理论与技术研究。目前实验上获得温度为8.4μK,数目约1×10~5个^(88)Sr原子的一维光晶格;通过磁场混合~3P_1态与~3P_0态,扫描测量得到线宽为180 Hz的^(88)Sr钟跃迁谱线;获得拉比振荡曲线且拉比π脉冲时间为5 ms时原子跃迁几率达到65%。基于锶原子光钟研究平台,国际上首次全面测量了锶原子组间跃迁(5s^2)~1S_0–(5s5p)~3P_1所有天然同位素的跃迁频率;采用对两个外腔半导体激光器进行级联光学注入的办法,对光梳的模式进行选择和放大(重复频率250 MHz),成功实现了锶原子光钟的窄线宽冷却的689 nm光源,放大倍率达2×10~5倍,边模抑制比大于37 d B,线宽远小于240 Hz,为下一步锶原子光钟系统的简化提供了一条值得探索的途径。

基于非关系型的时间频率科学数据存储策略研究

针对时间频率科学数据入库与检索效率低、多源异构数据存储管理困难、多用户高并发数据服务能力差的问题,提出了一种基于非关系型(NoSQL)数据库的时间频率科学数据混合存储策略。首先,分析了时间频率科学数据特征及主流NoSQL数据库的特点,结合数据及信息服务需求,提出了基于NoSQL数据库的混合存储策略;然后,基于提出的混合存储策略设计了数据存储系统架构及模型;最后,对提出的存储策略进行可行性和有效性进行验证。结果表明,提出的混合存储策略较传统存储策略性能有较大提升,能够有效地满足时间频率科学数据服务、数据分析及知识获取中对数据实时请求、高并发访问及扩展性的需求。

基于时间频率数据平台的数据分析研究

时间频率数据是国家重要的信息资源,时间频率数据平台设计依托国家授时中心运行产生的时频数据、国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures,BIPM)和国际地球自转服务机构(International Earth Rotation and Reference Systems Service,IERS)公布的时间频率相关数据等实现,该数据平台可以为守时技术研究提供丰富的数据资源支撑。首先介绍时间频率数据平台的建设情况,随后利用数据平台汇交的本地守时系统比对和远距离链路比对数据开展守时技术研究,包括原子钟状态评估,主要分析原子钟异常跳变情况,研究跳变数据处理方法,针对不同类型守时钟,分析对比波动情况、稳定度等原子钟性能指标,此外基于ARIMA模型开展钟差预报研究。以上研究结果可为守时系统连续可靠运行提供重要参考。

时间频率科学数据管理控制与应用

时间频率系统已经成为国家的战略资源,时间频率科学数据的应用涉及通信、电力、交通、战事等方面,因此时间频率科学数据的统筹梳理、管理控制、应用分析具有重要的现实意义。首先对时间频率科学数据进行分类分级,同时制定数据共享策略,详述时间频率科学数据管理系统的组成架构以及时间频率科学数据的质量控制方法;然后分析时间频率科学数据开放共享面临的问题,给出解决方案;最后阐述时间频率科学数据的若干应用方向,对时间频率科学数据的管理控制进行总结并展望。

时间频率基准装置的研制现状

时间频率基准装置——铯原子喷泉钟,在标准时间产生和保持、基础物理研究中发挥了重要的作用.介绍了铯原子喷泉钟的工作原理,对影响其性能的各项噪声源和频移项给出了分析,影响频率稳定度性能的主要因素为Dick效应相关的原子团装载时间、微波激励源相位噪声和探测激光的频率噪声,影响频率不确定性能主要频移项为:黑体辐射频移、冷原子碰撞频移、腔相位分布频移和微波泄露频移;总结和比较了当前具有先进性能的铯原子喷泉钟采用的技术;介绍了铯原子喷泉钟的主要应用方向、空间冷原子铯钟的研制情况和光学频率原子钟进展.

光纤时间频率信号传递研究

随着时间频率标准和光纤通信网络的发展,利用通信光纤传输时间频率信号体现出巨大的精度优势。报告了中国科学院国家授时中心在光纤时间频率传递方面的研究进展。利用PDH方法和超低膨胀系数玻璃光学参考腔获得用作光频传输光源的1.9 Hz线宽1 550 nm超稳窄线宽激光,并在实验室光纤上进行传输相位噪声抑制,获得8.5×10^(-17)的传输稳定度(110 km,秒稳),在实地光纤112 km上也获得了接近的光频传输稳定度。提出并验证光纤光频传递相位噪声的用户端补偿方法,可用于光频传输多用户网络。利用临潼—西安56 km实地光纤将UTC(NTSC)信号传递到西安航天城,实现两地的时间同步,同步稳定度优于30 ps。

基于卫星共视的远程时间频率校准系统

随着北斗卫星导航系统的投入运行,基于北斗卫星的远程时间频率比对成为可能。国家授时中心基于北斗卫星共视时间比对方法,搭建了一套远程时间频率校准系统,由远程时间比对基准终端、远程时间比对校准终端和数据分析处理中心组成,可在远程恢复出UTC(NTSC)的时间频率信号。远程时间比对基准终端测量UTC(NTSC)与北斗卫星钟的钟差;远程时间比对校准终端测量本地原子钟与北斗卫星钟的钟差,并在本地驾驭生成与UTC(NTSC)同步的时频信号;数据分析处理中心处理来自远程时间比对基准终端和远程时间比对校准终端的数据。该系统摒弃了传统的不连续观测方法,以10 min作为1个观测周期,实现了时间频率的连续比对。试验结果表明,该系统配送UTC(NTSC)的不确定度为3.74 ns,配送信号的频率天稳定度达到1.97E-14。

利用AM22进行国际卫星双向时间频率传递

2016年2月,中国科学院国家授时中心和德国物理技术研究所利用俄罗斯AM22卫星重新开通了已停止两年六个月的欧亚卫星双向时间频率传递链路。为降低该时间传递链路的不确定度,利用国际权度局的GPS移动校准站对其进行了直接校准,使其总不确定度达到了1.5 ns。选取2016年8月中国科学院国家授时中心和德国物理技术研究所的国际卫星双向比对数据对其分析,结果表明:利用AM22通信卫星实现的欧亚卫星双向时间比对链路1 d内的频率相对不确定度和时间不确定度分别可以达到10-15和1 ns。

网络化时频测试实验室关键技术分析与实现

网络化测试是测试系统发展的重要方向,对于精密的时间频率信号的测量,网络化测试尤其重要。通过网络对测试设备进行远程控制,可以摆脱地域限制,随时对测量过程进行远程监控,并且通过网络设置测量参数,可以减少人为活动对测量的干扰,提高测量精度。这一方面可以使许多昂贵的硬件资源得以共享,另一方面还便于测试系统的扩展和测试效率的提高。文章首先介绍了网络化仪器的优势,然后详细阐述了系统实现的关键技术、基本组成、工作原理及软件功能实现。

基于软件接收机的卫星双向时间频率传递

卫星双向时间频率传递是目前最准确的远距离时间比对方式之一。多年以来,卫星双向一直是利用硬件调制解调器来开展工作。在国际时间频率咨询委员会卫星双向工作组的组织下,全球主要时间实验室于2016年发起了基于软件接收机的卫星双向时间比对试验。2016年8月,中国科学院国家授时中心与德国物理技术研究院开通了第一条欧亚间基于软件接收机的卫星双向时间比对链路。通过对基于软件接收机的卫星双向时间比对进行测试与标定,结果表明:该时间比对方式的频率相对稳定度和时间稳定度分别可以达到1×10^-15/d和1 ns,其链路总不确定优于1.6 ns。最后将该链路与基于硬件调制解调器的卫星双向时间比对进行比较验证,二者结果互为一致。

基于实地光纤的双向量子时间传递实验研究

高精度的时间传递技术已经广泛地应用在守时授时、导航定位、科学研究等各个领域。量子时间传递技术利用频率纠缠脉冲作为时间信号的载体,结合高精度的量子测量技术可以极大地提高时间传递精度。由于频率纠缠脉冲自身的高度关联性,量子时间传递技术具有更高的安全性。本文在9.76 km的实地光纤中开展了双向量子时间传递实验研究,得到的时间传递稳定度在平均时间是10 s时为1.55 ps,平均时间是20480 s时为92 fs。飞秒量级的双向量子时间传递结合其安全性优势,有望在高精度的中长途传递系统中获得广泛应用。

基于SR620的远程时间频率测量系统设计与实现

随着计算机网络技术的飞速发展,远程测量系统得到越来越多的应用。为了更便于使用频谱仪、时间间隔计数器、时间间隔分析仪等测量仪器,以时间间隔计数器SR620为例,基于虚拟仪器LabWindows/CVI开发平台,设计并实现了一种实时远程时间频率测量系统。该基于SR620的远程时间频率时间测量系统能对仪器状态实时远程控制与监视,并能获取、存储测量数据,并利用虚拟仪器的优势实时图形化显示测量数据变化趋势,具有较高的实际应用价值。

BDS-3时间频率传递方法及其性能分析

我国独立自主建设的全球卫星导航系统——北斗三号(BDS-3),在2018年底已完成基本系统建设,计划2020年底全面建成并正式为全球用户提供定位、导航和授时服务。考虑到BDS-3系统与BDS-2区域系统在覆盖范围、卫星载荷、信号设计等方面的差异,其远程时间传递的性能有待进一步分析研究。利用GNSS时间传递中的共视法和载波相位时间传递方法,基于国际时间实验室BDS-2和BDS-3的短基线、长基线时间传递链路,对其时间传递链路的噪声水平和频率稳定度进行定量分析。实验结果表明,对于共视法,在时间传递的噪声水平和频率稳定度方面,BDS-3都明显优于BDS-2;长基线链路的精度为1.48ns(BDS-3)和3.13ns(BDS-2),短基线链路的精度为0.65ns(BDS-3)和1.02ns(BDS-2)。对于载波相位方法,BDS-3和BDS-2时间传递的噪声水平相当,长基线链路的精度为0.20ns,短基线链路的精度为0.02ns;但在频率稳定度方面,BDS-3优于BDS-2。

时间频率信号的完好性监测方法研究

高精度时间频率信号稳定性和可靠性是现代导航的重要基础,直接影响系统时间基准和导航定位结果。为了保证高精度时间频率信号的稳定性和可靠性,研究时频信号完好性监测方法。并在此监测方法上,充分利用中国科学院国家授时中心生成并保持的UTC(NTSC)建立高精度时频信号监测系统。该系统可实时监测时频信号性能,检测异常,并及时响应以保证时频信号的完好性和系统时间基准的稳定性。

GNSS载波相位精密时间传递数据处理技术综述

精密时间传递是时频领域最为基础的工作之一,在科技、经济、军事和社会生活中具有重要作用.全球卫星导航系统(GNSS)因其众多优势成为精密时间传递的重要手段,尤其是近些年发展的基于高精度载波相位观测值的时间传递技术成为GNSS时频领域的研究热点.本文对GNSS载波相位精密时间传递相关的研究进行了全面总结,对其数据处理涉及的观测模型、模糊度处理方法进行了归纳阐述,对精准性、一致性、稳健性、连续性、实时性、完好性等技术进行了探讨,并指出该领域未来应该重点解决非差与差分处理模型统一性、不同机理融合时间服务统一性和天空地海地下时间服务无缝性问题.

高精度光学频率传递实验研究

在利用单模光纤传输窄线宽激光过程中,由光纤外部环境引入的相位噪声造成激光线宽的展宽。介绍了光纤相位噪声抑制的基本原理,建立了光纤相位噪声抑制实验系统。实验观测了该相位噪声抑制系统对激光通过20 m单模光纤后相位噪声抑制效果,等效光学频率传递精度优于3×10-18。

用于精密时间测量的频率合成器的设计与实现

讨论了频率合成器在精密时间测量中的重要性。以时间测量基本原理为根据分析了用于时间测量的频率合成器的选型。简述了锁相环路频率合成器的基本组成和原理,详细介绍了基于ADF4360-9的频率合成器的整体设计,包括实际电路图、工作参数和关键电路的设计分析。最后给出了主要实验条件和结果。

时间保持实验平台的设计与实现

中国科学院国家授时中心负责我国标准时间UTC(NTSC)产生、保持和发播。但是,国家授时中心的UTC(NTSC)保持硬件设备都处在实际应用运行中,不具备作为实验平台的条件,阻碍了对UTC(NTSC)保持工作的研究。为了解决这个问题,通过分析时间保持系统的硬件构成和软件部分,建立了自动监控实验平台。该实验平台具备时间保持的功能,可用于国家授时中心时间保持方面的研究工作。

时间频率专业数据集

标准时间频率系统是国家重要的战略基础设施,在国民经济和国家安全方面起着基础保障作用。时间频率数据资源是国家重要信息资源之一,推动着时间频率中守时、授时和时间频率应用的发展。在大数据融合的背景下,时间频率专业数据集在中国科学院科学大数据工程项目支持下应运而生。本数据集通过依托中国科学院国家授时中心(NTSC)定期向国际计量局(BIPM)提交我国国家标准时间系统测量比对数据、国际计量局国际原子时(TAI)归算数据、全球各守时实验室保持的本地时间UTC(k)与协调世界时(UTC)的偏差数据,及各实验室原子钟在国际原子时归算中所占的权重公报(w公报)、速率公报(r公报)等数据,通过数据字典匹配,生成TAI(k)、UTC(k)、参与TAI归算的原子钟权重、速率等数据集。此外,数据集扩展包括《时间频率公报》电子版以及收集到的国际地球自转服务机构(IERS)公布的地球自转A、B、C、D公报相关内容。本数据集为2018–2019年数据,采用时频科学数据规程控制数据质量。未来,随着数据库资源的不断完善,时间频率专业数据集可以为时频科学研究及国家标准时间频率用户提供更加丰富准确的基础科学数据支持。

利用模式滤波器产生4.77 GHz重复频率飞秒脉冲激光的实验研究

在自制掺铒光纤飞秒锁模激光器的基础上,通过将自由光谱宽度为4.77 GHz的法布里-珀罗腔(F-P腔)模式滤波器的谐振频率点锁定到飞秒激光的一组模式上,实验实现了4.77 GHz高重频飞秒脉冲激光的产生。该实验采用Tilt-Lock方法实现了F-P腔锁定,并获得0.246 mW的模式滤波输出,重复频率与原有飞秒脉冲激光相比提升23倍。