一种铯束原子钟的锁定方法技术

本发明专利技术公开了一种铯束原子钟的锁定方法，该锁定方法包括：步骤1微波频率调制：对微波频率进行调制；步骤2微波频率扫描：将微波输入铯束管获得原子信号；步骤3频率误差信号解调：用频率调制信号解调原子信号并低通滤波，产生频率误差信号e

【技术实现步骤摘要】
一种铯束原子钟的锁定方法


[0001]本专利技术涉及原子频标领域，具体涉及一种铯束原子钟的锁定方法。

技术介绍

[0002]原子钟是一种利用原子的跃迁作为标准的计时装置。它是目前最精确的时间和频率标准，因而其应用范围极其广泛：从精密的基础科学测量，如物理常数测定、理论物理验证，到直接服务于人们日常生产生活的工程应用，如全球导航卫星系统等。铯束原子钟具有准确度高、长期稳定性好等特点，是建立和保持高精度、高稳定度守时系统的核心设备，在守时、授时、通信、电力、时频计量等领域有着广泛的应用。
[0003]铯束原子钟的长期频率稳定度会受到各种频移因素的影响，其中，主要的频移之一为微波功率频移。为了避免微波功率的漂移导致原子钟输出频率产生长期漂移，通常需要对微波功率和频率进行联合锁定。
[0004]现有的铯束原子钟的微波功率锁定方法主要为对微波功率进行慢调制，并对铯束管的输出信号直接进行解调，产生误差信号反馈到微波功率上，实现将微波功率锁定在铯束管输出信号最大处。该方法有两个主要的缺点：
[0005]第一，理想情况下，微波功率和铯束管输出信号的幅度关系如图2，但实际上由于大微波功率下相邻跃迁线的影响会增大，信号幅度在微波功率增大时会更大，如图2，因此用传统方法进行锁定时可能会出现微波功率失锁的情况；
[0006]第二，铯原子钟的稳定度和锁频误差信号幅度正相关，通常，信号最大值和误差信号最大值并不在同一个微波功率点处，因此传统方法难以达到最佳的原子钟稳定度性能指标；
[0007]为此，本专利技术提出了一种新的铯束原子钟的锁定方法，能够将微波功率稳定锁定在误差信号最大点处，相比传统方案可获得更好的稳定度指标，并具有更好的鲁棒性。

技术实现思路

[0008]为实现本专利技术之目的，采用以下技术方案予以实现：
[0009]一种铯束原子钟的锁定方法，包括以下步骤：步骤1.对微波频率进行调制；步骤2.微波频率扫描，获得频率锁定的频率误差信号；步骤3.微波功率扫描；步骤4.微波功率调制；步骤5.微波频率
‑
功率联合锁定。
[0010]所述的铯束原子钟的锁定方法，其中步骤1包括：
[0011]设原始微波信号为y(t)＝bcos(ω0t)，其中b为微波信号幅度，ω0为原子共振频率，调制后的微波信号表示为：
[0012][0013]其中，为微波频率调制幅度为ω
m
，调制周期为T
ω
，均值为0的频率调制信号；采用方波进行微波频率调制，即：
[0014][0015]频率调制信号的频率为10+2Hz量级。
[0016]所述的铯束原子钟的锁定方法，其中步骤2包括：
[0017]2.1将经过步骤1调制后的微波信号馈入铯束管，获得原子光检信号r(t)，用频率调制方波解调产生用于频率锁定的频率误差信号e
ω
(t)：
[0018][0019]2.2固定微波功率b，在共振点ω0附近改变微波频率，找到频率误差信号最大值，记此时微波频率为ω1。
[0020]所述的铯束原子钟的锁定方法，其中步骤3包括：
[0021]将微波频率设定在ω1，改变微波功率b，获得频率误差信号e
ω
(t)取最大值时的微波功率b1。
[0022]所述的铯束原子钟的锁定方法，其中步骤4包括：在微波功率b1点附近对微波功率进行调制，调制后的信号表示为：
[0023][0024]其中，为微波功率调制幅度为b
m
，调制周期为T
b
，均值为0的功率调制信号，采用方波进行微波功率调制，即：
[0025][0026]为10
‑2Hz量级。
[0027]所述的铯束原子钟的锁定方法，其中步骤5包括：
[0028]5.1对频率误差信号e
ω
(t)进行比例
‑
积分
‑
微分处理，获得频率控制信号c
ω
(t)，即：
[0029][0030]在复频域下可以表示为：
[0031][0032]其中K
ωp
，K
ωi
，K
ωd
为PID增益，将频率控制信号c
ω
(t)反馈到微波频率调节端；
[0033]5.2与步骤5.1同时，对频率误差信号e
ω
(t)用功率调制进行解调并进行低通滤波，获得微波功率误差信号e
b
(t)，即
[0034][0035]对微波功率误差信号进行PID处理，获得功率控制信号c
b
(t)，即：
[0036][0037]其中K
bp
，K
bi
，K
bd
为PID增益；
[0038]将功率控制信号c
b
(t)反馈到微波功率调节端。
[0039]一种铯束原子钟的锁定方法，包括以下步骤：
[0040]步骤1.对微波频率进行调制，设原始微波信号为y(t)＝b cos(ω0t)，则调制后的微波信号表示为：
[0041][0042]其中，调制信号经过数字芯片产生并通过DAC转化为模拟信号，设对应的数字信号为采样率为F
s
；
[0043]步骤2.进行微波频率扫描：
[0044]2.1将经过步骤1调制后的微波信号馈入铯束管，获得原子光检信号r(t)，通过ADC以采样率F
s
对模拟信号r(t)进行采样，转化为数字信号r[n]，并在FPGA内对r[n]用频率调制方波解调并进行数字低通滤波，产生用于频率锁定的频率误差信号e
ω
[n]：
[0045][0046]2.2固定微波功率b，在共振点ω0附近改变微波频率，即在ω0左右两侧的频率区间内从最小频率到最大频率以预定的频率步长重复上述步骤2.1，获得频率误差信号e
ω
[n]，找到频率误差信号最大值，记此时微波频率为ω1；
[0047]步骤3.微波功率扫描，将微波频率设定在ω1，改变微波功率b，即在b左右两侧的功率区间内从最小功率到最大功率以预定的功率步长重复上述步骤2.1，获得微波功率
‑
频率误差信号幅度扫描图，记录频率误差信号e
ω
[n]取最大值时的微波功率b1；
[0048]步骤4.微波功率调制
[0049]在微波功率b1点附近对微波功率进行调制，调制后的信号表示为：
[0050][0051]其中，为调制幅度为b
m
，调制周期为T
b
，均值为0的功率调制信号，采用方波进行微波率调制，由数字芯片FPGA产生并经过DAC产生；
[0052]步骤5.微波频率
‑
功率联合锁定
[0053]5.1对频率误差信号e
ω
[n]进行数字比例
‑
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种铯束原子钟的锁定方法，其特征在于包括以下步骤：步骤1.对微波频率进行调制；步骤2.微波频率扫描，获得频率锁定的频率误差信号；步骤3.微波功率扫描；步骤4.微波功率调制；步骤5.微波频率
‑
功率联合锁定。2.根据权利要求1所述的铯束原子钟的锁定方法，其特征在于步...

【专利技术属性】
技术研发人员：王延辉，陈思飞，刘畅，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：