原子钟的实时误差补偿方法技术

一种对原子钟进行实时误差补偿来降低频率偏移的方法，通过监测环境噪声变量，对受其影响的误差信号进行补偿并实时反馈给本机振荡器来抑制环境噪声的影响，突破了对于原子及其环境波动控制的局限性，显著降低原子钟的频率不确定度，同时提高原子钟的稳定度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于实时误差补偿方法，特别是一种对原子钟进行实时误差补偿来降低频率偏移的方法。
技术介绍
原子钟是时间的计量仪器，可以看作是本机振荡器和鉴频物理系统的组合。其工作原理是本机振荡器输出微波信号经过倍频之后输入原子钟微波腔与原子作用，原子系统起到鉴频器的作用，原子的跃迁几率差反映了误差信号的大小，将误差信号变化成电压信号后通过伺服控制锁定本机振荡器，本机振荡器输出的另一路频率信号即作为原子频标信号，通过修正和处理得到精准的时间信号。鉴频系统测量的分数频率偏移可以表示为：ye＝yLO-yph，其中yLO是本机振荡器的频率偏移，yph是物理系统的频率偏移。原子钟的各种物理效应会引起鉴频谱线的移动，表示为其中i＝1,2,3,…,N，表示引起频率移动的N个需要评估的效应，yi是对应物理效应引起的相对频移，通常各个物理效应引起的频移yi总是有一个关联物理量xi，表示为yi＝f(xi)。在闭环锁定的情况下，系统的长期稳定度和频率偏移受限于各种物理效应。对由外部不同物理因素引起的原子钟频移及频移不确定度评估是原子钟研究的重要工作。传统的降低原子钟频移的方法主要是靠抑制某个物理效应对于含时噪声的处理，一般是通过主动或者被动的方式有效降低xi的起伏，然后根据xi的统计特性得到其对不确定度的贡献，这里讲的统计特性是按照标准方差处理的，实际上各种效应的噪声特性呈现不同的噪声特性(例如白噪声、随机游走等)，这些效应最终通过原子频标的频率输出体现出来，某些效应导致某些原子频标的长期的频率漂移，无法作为基准或二级频标。传统的原子钟把探测到的频率误差信号直接反馈给本机振荡器，降低频移的方法只能靠提高物理系统的性能和对原子及其所处环境的更精准的控制，而无论物理系统性能的提高还是对环境的控制控制都是有局限的，不能再产生显著的效果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决上述现有技术的局限，提供实时误差补偿的方法。该方法被运用在原子钟的评估上，可以突破对物理系统控制的局限，显著降低原子钟的频率偏移。本专利技术的具体方案如下：原子钟的实时误差补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：①开启原子钟，使原子钟连续运行；②在鉴频阶段开始时,开启第一探测器对补偿对象参数xi(t)进行监测，开启第二探测器对误差信号进行监测，在鉴频阶段结束时结束监测；③根据监测结果用计算机(e)计算得到鉴频过程中的由于补偿对象参数xi(t)的起伏引起的误差信号频移Δyi(xi,t)；对此误差信号频移进行修正，得到修正后误差信号，公式如下：ye(t)=yLO(t)-[yph(t)-Σj=1MΔyj(xj,t)]]]>其中，yLO(t)是本机振荡器的含时频率偏移，yph(t)是物理系统的含时频率偏移，M表示补偿对象参数xi(t)可探测的M个物理量，M＝1,2,3，…，N，N为所有可探测物理量个数；④将修正后误差信号反馈给本机振荡器，使得本机振荡器输出的标准频率信号锁定在消除环境噪声影响的量子系统上；⑤重复上述②③④步骤，得到锁定后的标准频率信号；⑥对锁定后的标准频率信号进行统计处理，获得不确定度指标。本专利技术的技术效果如下：1、本专利技术由于运用了实时误差补偿方法，环境噪声对频率频移及频移不确定度的贡献得到有效抑制，使得原子钟总的频移不确定度大大降低。2、本专利技术由于运用了实时误差补偿方法，原子钟的频率稳定度得以提高。附图说明图1是实时误差补偿系统框图；图2是原子喷泉钟系统上运用实时误差补偿方法的工作框图；图3是在原子喷泉钟(下面简称喷泉钟)上进行实验验证得到的频率稳定度结果。(3a)是喷泉钟未加放大噪声时的结果；(3b)是所加放大噪声信号的阿兰标准差；(3c)是在喷泉钟上加上放大噪声但未进行实时误差补偿的结果；(3d)是在喷泉钟上加上放大噪声并进行实时误差补偿的结果。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术作进一步说明。我们在原子喷泉系统上进行了实验验证。选取二阶塞曼效应作为补偿对象，放大它的噪声，使其对喷泉频标不确定度的贡献远大于其它效应，探测其关联函数，测试噪声补偿前后喷泉频标不确定度的变化。本实施例中原子钟(b)采用喷泉原子钟(h)，图2中的电阻(j)和控制卡(k)的采集部分相当于图1中的第一探测器(c)，图2中的探测器(i)相当于图1中的第二探测器(d)，实施实时误差补偿方法的具体步骤如下：①开启喷泉原子钟(h)，喷泉钟连续运行；②计算机(l)产生噪声信号，放大之后通过控制卡(k)的控制部分加在喷泉钟的螺线管电流上，理论上电流噪声变化引起的相对频率偏差为δyz2(t)＝2kI0δI(t)＝2yz2δI(t)/I0其中Z2表示二阶塞曼效应，k是一个比例系数，I为电流；③控制卡(k)的采集部分采集串联在螺线管上的电阻(j)两端的电压变化，得到的电流噪声引起的相对频率偏差表示为δy′z2(t)＝2kI0δI(t)＝2yz2δV′(t)/V0这里加撇的表示测试值，V代表电压；④计算机(l)分析计算噪声产生的误差信号偏差。在此噪声放大实验模式下，喷泉系统只用探测器(i)探测的误差信号可以表示为yph(t)＝yph0(t)+δyz2(t)其中yph0(t)是如果没有加噪声情况下的测试误差，所加电流噪声与其它噪声的关联性可以忽略不计。而引入实时误差补偿方法后，在每个喷泉频标的鉴频周期，采集误差信号的同时也采集到电流的噪声，由此得到剔除噪声影响的误差信号：ye(t)＝yLo-[yph(t)-δy′z2(t)]⑤将剔除噪声影响的误差信号反馈给本机振荡器(m)；⑥重复②③④步骤，得到标准频率信号；⑦对锁定后的标准频率信号进行统计处理，获得不确定度指标。不经过误差补偿时得到的不确定度可以表示为σ(t)=σ02(t)+σZ22(t)]]>在所给条件下测试得到在E-4量级,从而有<δyZ2(t)-δy′Z2(t)>≈10-4<δyZ2(t)>，因此经过误差补偿的不确定度σ(t)=σ02(t)+10-8σZ22(t)]]>实验结果表明实时误差补偿方法确实可以显著降低喷泉钟的频率不确定度。长期运行统计结果如图3，其中的(3d)与(3a)(3b)(3c)相比，证明实时误差补偿方法可以显著提高喷泉钟的频率稳定度。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种原子钟的实时误差补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：①开启原子钟(b)，使原子钟连续运行；②在鉴频阶段开始时,开启第一探测器(c)对补偿对象参数xi(t)进行监测，开启第二探测器(d)对误差信号进行监测，在鉴频阶段结束时结束监测；③根据监测结果用计算机(e)计算得到鉴频过程中的由于补偿对象参数xi(t)的起伏引起的误差信号频移Δyi(xi,t)；对此误差信号频移进行修正，得到修正后误差信号，公式如下：ye(t)=yLO(t)-[yph(t)-Σj=1MΔyj(xj,t)]]]>其中，yLO(t)是本机振荡器的含时频率偏移，yph(t)是物理系统的含时频率偏移，M表示补偿对象参数xi(t)可探测的M个物理量，M＝1,2,3，…，N，N为所有可探测物理量个数；④将修正后误差信号反馈给本机振荡器，使得本机振荡器(a)输出的标准频率信号锁定在消除环境噪声影响的量子系统上；⑤重复上述②③④步骤，得到锁定后的标准频率信号；⑥对锁定后的标准频率信号进行统计处理，获得不确定度指标。

【技术特征摘要】
1.一种原子钟的实时误差补偿方法，其特征在于该方法包括以下步骤：
①开启原子钟(b)，使原子钟连续运行；
②在鉴频阶段开始时,开启第一探测器(c)对补偿对象参数xi(t)进行监测，开启
第二探测器(d)对误差信号进行监测，在鉴频阶段结束时结束监测；
③根据监测结果用计算机(e)计算得到鉴频过程中的由于补偿对象参数xi(t)的
起伏引起的误差信号频移Δyi(xi,t)；
对此误差信号频移进行修正，得到修正后误差信号，公式如下：
ye(t)=yLO(t)-[yph(t)-Σj=1MΔyj(xj,t)&...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈婷婷，魏荣，董日昌，王文丽，邹凡，王育竹，
申请(专利权)人：中国科学院上海光学精密机械研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31