一种CPT原子钟控制系统技术方案

本发明专利技术公开一种CPT原子钟控制系统，包括激光器、物理系统、微波频率控制模块、激光频率控制模块、温度控制模块、信号检测模块、磁场控制模块和控制芯片，其中所述激光器出射的激光入射到所述物理系统中，所述物理系统将入射的激光转换为激光共振光谱信号，并将该激光共振光谱信号进行光电转换后传递到所述信号检测模块；所述信号检测模块将所述光电转换后的信号进行放大和滤波，得到激光直流信号和CPT信号并发送给控制芯片；所述控制芯片根据接收到的用于反馈控制的所述激光直流信号和CPT信号，调整加载在所述微波频率控制模块和所述激光频率控制模块上的电压，用于满足原子钟系统的稳定运行。

【技术实现步骤摘要】
一种CPT原子钟控制系统
本专利技术涉及原子钟领域。更具体地，涉及一种CPT原子钟控制系统。
技术介绍
原子钟因工作原理、量子态制备要求的不同，其体积、功耗、稳定度指标也不尽相同。在小体积、低功耗应用场景上，相干布居囚禁(CPT)原子钟具有较明显的优势，由于其独特的工作原理，从提出之后便受到关注和大量研究。针对小体积、低功耗应用场景，市场上存在基于不同控制芯片的CPT原子钟产品，分别是基于FPGA控制的CPT原子钟和基于单片机控制的CPT原子钟，二者都需要进行合理的时序设计和编程。基于FPGA控制的CPT原子钟控制精度高，但功耗和成本也高，基于单片机控制的CPT原子钟控制精度稍低，而功耗和成本可以降低很多。在稳定度指标要求可以满足的情况下，基于单片机控制的CPT原子钟具有更大的市场竞争力。国外市场化的产品控制流程是其产品核心，程序不公开。国内相关研究很多还处于桌面系统状态，没有产品化，对系统的控制和调试大多是人工实现，缺少完整的自动控制，需要研发人员时刻跟踪调试，耗费人力和时间成本。同时系统出问题时，由于缺少自动化程序，对问题的定位速度慢、定位不准确，限制科学研究和产品研发速度。本专利技术提出的一种CPT原子钟控制系统，将系统分为若干个工作模块，通过控制芯片完成对不同模块的控制及频率锁定，这些控制和信号处理的实现需要对控制芯片和外围电路进行合理的设计和使用，并利用软件语言(C语言)对控制芯片进行编程。
技术实现思路
本专利技术提出的一种CPT原子钟控制系统，利用控制芯片对CPT原子钟进行时序控制与信号处理，驱动不同模块协调工作并处理相关信号，可以完整实现微小型CPT原子钟，输出10MHz标准信号，同时系统具有体积小、功耗低的优势。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种CPT原子钟控制系统，包括激光器、物理系统、微波频率控制模块、激光频率控制模块、温度控制模块、信号检测模块、磁场控制模块和控制芯片，其中所述控制芯片通过所述温度控制模块检测所述激光器和物理系统的温度并进行调节，对所述温度控制模块进行PID控制，产生用于满足原子钟工作的恒定温度；所述控制芯片通过控制所述微波频率控制模块产生3.4GHz的微波信号；所述控制芯片通过控制所述激光频率控制模块产生加载到激光器上的电压；所述磁场控制模块产生用于满足原子钟工作的恒定磁场；所述激光器出射的激光入射到所述物理系统中；所述物理系统将入射的激光转换为激光共振光谱信号，并将该激光共振光谱信号进行光电转换后传递到所述信号检测模块；所述信号检测模块将所述光电转换后的信号进行放大和滤波，得到激光直流信号和CPT信号并发送给控制芯片；所述控制芯片根据接收到的用于反馈控制的所述激光直流信号和CPT信号，调整加载在所述微波频率控制模块和所述激光频率控制模块上的电压，改变激光的出射波长，用于满足原子钟系统的稳定运行。优选的，所述温度控制模块包括物理系统温度控制模块和激光温度控制模块，所述物理系统温度控制模块和激光温度控制模块均包括放大器和三极管，所述物理系统还包括热敏电阻和功率管，所述激光器还包括热敏电阻和可加热制冷陶瓷，所述物理系统温度控制模块和激光温度控制模块使用所述放大器对所述热敏电阻两端的电压进行放大并将该放大值传递给所述控制芯片，所述控制芯片根据CPT原子钟的运行温度控制所述物理系统温度控制模块和激光温度控制模块内的所述三极管输出反馈电压，用于控制所述物理系统内的功率管或所述激光器内的可加热制冷陶瓷，从而控制所述物理系统和激光器工作在稳定温度；优选的，所述微波频率控制模块包括10MHz晶体振荡器、3.4GHz压控振荡器和锁相环，所述10MHz晶体振荡器产生10MHz标准脉冲，所述3.4GHz压控振荡器产生用于对激光进行频率调制的3.4GHz的微波信号，使用所述锁相环将所述3.4GHz压控振荡器产生的微波信号分频后与所述10MHz晶体振荡器产生的10MHz脉冲信号锁定，当所述信号检测模块将所述CPT信号发送给所述控制芯片后，所述控制芯片输出反馈电压加载到所述10MHz晶体振荡器上，间接控制所述3.4GHz压控振荡器输出稳定的微波信号。优选的，所述激光频率控制模块包括20位数模转换芯片，当所述信号检测模块将所述激光直流信号发送给所述控制芯片后，所述控制芯片将反馈信号传递给所述数模转换芯片并改变该芯片的输出到所述激光器上的输出电压从而改变输出光信号的频率。优选的，所述磁场控制模块包括放大器和磁场线圈，所述放大器在所述磁场线圈两端施加恒定电压，保持恒定电流流经磁场线圈，产生满足CPT原子钟工作的恒定磁场。优选的，所述信号检测模块包括前级放大器和后级带通放大器，所述前级放大器对所述光电转换后的电信号进行整体放大，所述后级放大器分为两路，第一路后级放大器的通带频率对应所述激光信号的调制频率可以得到激光直流信号，第二路后级放大器的通带频率对应所述微波信号的调制频率可以得到CPT信号，所述信号检测模块将所述激光直流信号和CPT信号传递给所述控制芯片。优选的，所述控制芯片的系统时钟由外部晶振提供，时钟频率为10MHz。优选的，所述控制芯片利用内部的串口通信模块与上位机进行通信，实时显示系统内各个信号的状态，包括温度信号、温度反馈信号、激光和微波解调信号，以及锁定反馈信号，用于调试和错误定位。优选的，所述控制芯片为FPGA或单片机。基于该系统的CPT原子钟控制方法，利用控制芯片进行系统控制，利用软件语言对控制芯片进行编程，从而实现CPT原子钟的全自动控制，包括开机冷启动、热启动、锁定、失锁检测与重新锁定等。为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：一种CPT原子钟控制方法，由一种CPT原子钟控制系统执行，系统包括激光器、物理系统、微波频率控制模块、激光频率控制模块、温度控制模块、信号检测模块、磁场控制模块和控制芯片，其中所述控制芯片通过所述温度控制模块检测所述激光器和所述物理系统的温度并进行调节，对所述温度控制模块进行PID控制，用于产生满足原子钟工作的恒定温度；所述控制芯片通过控制所述微波频率控制模块产生3.4GHz的微波信号；所述控制芯片通过控制所述激光频率控制模块产生加载到激光器上的电压；所述磁场控制模块产生用于满足原子钟工作的恒定磁场；所述激光器出射的激光入射到所述物理系统中；所述物理系统将入射的激光转换为激光共振光谱信号，并将该激光共振光谱信号进行光电转换后传递到所述信号检测模块；所述信号检测模块将所述光电转换后的信号进行放大和滤波，得到激光直流信号和CPT信号并发送给控制芯片；所述控制芯片根据接收到的用于反馈控制的所述激光直流信号和CPT信号，调整加载在所述微波频率控制模块和所述激光频率控制模块上的电压，改变激光的出射波长，用于满足原子钟系统的稳定运行；包括步骤：S101：初始化，用于初始化所述控制芯片、激光器、物理系统和各控制模块；S103：所述激光器和物理系统的温度控制；S105：扫描激光频率并检测激光共振信号，若收到解调激光信号但未调节过相位则转到步骤S107；若收到解调的激光信号且已调节过相位则转到步骤S109；若没有收到解调信号则继续进行扫描；S107：调节激光调制信号的相位，用于改变加载在激光器上的调制方波与数字解调的方波之间的相位关系，测量不同相位对应的解调本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种CPT原子钟控制系统，其特征在于，包括激光器、物理系统、微波频率控制模块、激光频率控制模块、温度控制模块、信号检测模块、磁场控制模块和控制芯片，其中所述控制芯片通过所述温度控制模块检测所述激光器和所述物理系统的温度并进行调节，对所述温度控制模块进行PID控制，用于产生满足原子钟工作的恒定温度；所述控制芯片通过控制所述微波频率控制模块产生3.4GHz的微波信号；所述控制芯片通过控制所述激光频率控制模块产生加载到激光器上的电压；所述磁场控制模块产生用于满足原子钟工作的恒定磁场；所述激光器出射的激光入射到所述物理系统中；所述物理系统将入射的激光转换为激光共振光谱信号，并将该激光共振光谱信号进行光电转换后传递到所述信号检测模块；所述信号检测模块将所述光电转换后的信号进行放大和滤波，得到激光直流信号和CPT信号并发送给控制芯片；所述控制芯片根据接收到的用于反馈控制的所述激光直流信号和CPT信号，调整加载在所述微波频率控制模块和所述激光频率控制模块上的电压，改变激光的出射波长，用于满足原子钟系统的稳定运行。

【技术特征摘要】
1.一种CPT原子钟控制系统，其特征在于，包括激光器、物理系统、微波频率控制模块、激光频率控制模块、温度控制模块、信号检测模块、磁场控制模块和控制芯片，其中所述控制芯片通过所述温度控制模块检测所述激光器和所述物理系统的温度并进行调节，对所述温度控制模块进行PID控制，用于产生满足原子钟工作的恒定温度；所述控制芯片通过控制所述微波频率控制模块产生3.4GHz的微波信号；所述控制芯片通过控制所述激光频率控制模块产生加载到激光器上的电压；所述磁场控制模块产生用于满足原子钟工作的恒定磁场；所述激光器出射的激光入射到所述物理系统中；所述物理系统将入射的激光转换为激光共振光谱信号，并将该激光共振光谱信号进行光电转换后传递到所述信号检测模块；所述信号检测模块将所述光电转换后的信号进行放大和滤波，得到激光直流信号和CPT信号并发送给控制芯片；所述控制芯片根据接收到的用于反馈控制的所述激光直流信号和CPT信号，调整加载在所述微波频率控制模块和所述激光频率控制模块上的电压，改变激光的出射波长，用于满足原子钟系统的稳定运行。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述温度控制模块包括物理系统温度控制模块和激光温度控制模块，所述物理系统温度控制模块和激光温度控制模块均包括放大器和三极管，所述物理系统还包括热敏电阻和功率管，所述激光器还包括热敏电阻和可加热制冷陶瓷，所述物理系统温度控制模块和激光温度控制模块使用所述放大器对所述热敏电阻两端的电压进行放大并将该放大值传递给所述控制芯片，所述控制芯片根据CPT原子钟的运行温度控制所述物理系统温度控制模块和激光温度控制模块内的所述三极管输出反馈电压，用于控制所述物理系统内的功率管或所述激光器内的可加热制冷陶瓷，从而控制所述物理系统和激光器工作在稳定温度。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微波频率控制模块包括10MHz晶体振荡器、3.4GHz压控振荡器和锁相环，...

【专利技术属性】
技术研发人员：薛潇博，杨仁福，张振伟，张旭，赵环，王暖让，陈星，
申请(专利权)人：北京无线电计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11