CN101055247A - 被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法。它是对在原有的同步鉴相所需的调制信号、同步鉴相参考信号的同时，增添一路频率是调制信号4倍、相位可调、占空比为1∶1的方波采样时序信号；该采样时序对经量子鉴频、光检放大、方波整形后产生的交流信号进行锁定信息采集，用以判断此时刻原子频标锁定情况；其方法是：4倍频调制信号的采样时序的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对量子鉴频后的信号进行电平采样，并分别记录为D1、D2、D3、D4，依据所记录的四种采样电平高低不同判断原子频标是否处于锁定状态，当电平关系式为：D1＝D3并且D2＝D4时，表明原子频标是锁定状态。利用本发明方法可以实现对被动型铷原子频标系统工作状态的检测，对一台成型的原子频标是否正常工作以及故障点能够一目了然，能够简易、方便地对故障模块进行更换。

Description

被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法

技术领域

本发明属于被动型铷原子频标领域技术，具体涉及一种被动型铷原子频标正常工作状态判断与故障诊断的方法。

背景技术

一台被动型铷原子频标由物理系统及电子线路两大部分组成。物理系统是被动型铷原子频标的核心部件，大致可分为光抽运谱灯和共振探测两部分；包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔、光电探测器、C场、磁屏等。它提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线，原子频标正是通过将压控晶体振荡器的输出频率锁定在原子共振吸收峰上而获得高稳频率信号输出。电子线路的主要作用是产生源于石英晶体振荡器的微波探询信号，并通过伺服电路将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0-0跃迁频率上。同时，为了保证物理系统的正常工作，电子线路还包含控温、恒流源等辅助电路。

为完成整个被动型铷原子频标光抽运及微波共振探测过程，最终实现铷原子基态超精细0-0跃迁频率的锁定，需要保证作为整个原子频标系统光源的光谱灯、进行滤光及原子共振的集成滤光共振泡、使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴的C场、以及实现共振探询和同步检测的微波探询信号的正常工作。随着实际应用对被动型铷原子频标小型化以及模块简易化的需求，人们希望对一台成型的原子频标是否正常工作以及故障点能够一目了然，能够简易、方便地对故障模块进行更换。这就需要在原子频标产品中给出正常锁定与故障指示功能，而国内现有大多数的原子钟产品(包括商业用及实验室研究用)都未能很好的给出相应的指示功能。

发明内容

基于上述现状，本发明的目的在于提供一种在原有的被动型铷原子频标系统中实现被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法；从整机环路中的同步鉴相信号及量子鉴频信号出发给出相应的锁定指示功能。

实现本发明的技术方案为：被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法，它包括被动型铷原子频标系统，即由物理系统及电子线路两大部分组成；其中物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔、C场、磁屏、光电池、耦合环；电子线路包括原子频标压控晶体振荡器VCXD，隔离放大电路，综合调制电路，倍频电路，微波倍混频器；微波倍混频器输出的微波探寻信号到物理系统中，物理系统产生的本振的输出信号经光检放大和方波整形通过伺服电路将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0-0跃迁频率上，在原有的同步鉴相所需的调制信号、同步鉴相参考信号的同时，增添一路频率是调制信号4倍、相位可调、占空比为1∶1的方波采样时序信号；该采样时序对经量子鉴频、光检放大、方波整形后产生的交流信号进行锁定信息采集，用以判断此时刻原子频标锁定情况；其方法是：4倍频调制信号的采样时序的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对量子鉴频后的信号进行电平采样，并分别记录为D1、D2、D3、D4，依据所记录的四种采样电平高低不同判断原子频标是否处于锁定状态，当电平关系式为：D1＝D3并且D2＝D4时，表明原子频标是锁定状态。

在被动型铷原子频标系统中的光谱灯处设置光谱灯工作温度检测装置以检测光谱灯工作温度状况；在集成滤光共振泡处设置集成滤光共振泡的腔体工作温度检测装置以检测集成滤光共振泡的腔体工作温度状况；在C场的恒流源处设置C场的电流检测装置以检测C场的电流状况。

利用本发明方法可以实现对被动型铷原子频标系统工作状态的检测，对一台成型的原子频标是否正常工作以及故障点能够一目了然，能够简易、方便地对故障模块进行更换。

附图说明

图1被动型铷原子频标原理及锁定故障监测框图。

图2量子鉴频原理图。

图3锁定指示判断原理图。

图4量子鉴频信号示波器观测图。

图5锁定指示判断硬件原理框图。

图6锁定指示判断程序流程图。

图7故障监测原理框图。

图8故障诊断程序流程图。

具体实施方式

如图1所示，被动型铷原子频标系统包括原子频标压控晶体振荡器VCXD，隔离放大电路，综合调制电路，倍频电路，微波倍混频器；微波倍混频器输出的微波探寻信号到物理系统中，物理系统包括光谱灯1、集成滤光共振泡2、微波腔3、C场4、磁屏5、光电池6、耦合环7，恒流源，温度控制器，和恒温器。微波倍混频器输出的微波探寻信号到物理系统中，物理系统实现量子系统鉴频的输出信号经光检放大和方波整形通过伺服电路将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0-0跃迁频率上量子。

在整个被动型铷原子频标的工作状态由4个监测点来完成。其中监测点1负责监测作为整个原子频标物理系统光源的光谱灯工作温度情况；监测点2负责监测内置进行滤光及原子共振的集成滤光共振泡的腔体工作温度情况；监测点3负责监测使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴的C场电流情况；监测点4通过综合器产生的同步采样时序对来自量子系统鉴频处理后经光检放大、方波整形得到的信号进行采样，通过采样结果判断原子频标是否进入正常锁定工作状态。

如图2所示，图中对表征信号幅度I的y轴进行了电反相。经综合器调制后产生的微波探询信号f分别处于原子基态超精细0-0跃迁中心频率的左侧、正中、右侧时，经量子系统的鉴频处理，分别得到不同的量子鉴频信息：当微波探测信号的中心频率高于原子跃迁频率时(f＞fo)，光电池的输出信号和微波的调制信号同频反相；当微波探测信号的中心频率低于原子跃迁频率时(f＜fo)，光电池输出信号和微波调制信号同频同相；当微波探测信号的中心频率等于原子跃迁频率时(f＝fo)时，光电池的输出信号频率是微波调制频率的2倍。被动型原子频标伺服系统正是利用这一特性，采用同步鉴相方案实现整机的闭环锁定。

实现被动型原子频标的锁定指示，在保留原有的同步鉴相所需的调制信号、同步鉴相参考信号的同时，增添一路频率是调制信号4倍、相位可调、占空比为1∶1的方波采样时序信号。该采样时序对经量子鉴频、光检放大、方波整形后产生的交流信号进行锁定信息采集，用以判断此时刻原子频标锁定情况，其判断原理如图3所示。

在方波整形环节，由于锁定状态下信号波形的峰峰值幅度通常大致为几百个毫伏左右，方波整形时，触发电平的选择应根据实际系统的锁定信号波形幅值决定。由于整机噪声的存在，从示波器上观察到的锁定信号无论是平坦区还是尖峰区都会存在毛刺，产生抖动，如图4所示。

从而导致方波整形后得到的信号沿发生抖动(在图3中方波整形后的信号沿部分画得较粗，以示这种信号沿抖动的存在)。在采样时序对这些信号进行采集时，需要避开沿抖动的环节，解决的方案是用微控制器定时中断产生同步鉴相参考信号、4倍频采样时序信号，利用延时的方式实现4倍频采样时序信号相位任意移动。微控制器的采样输入端接来自于量子系统鉴频处理后的量子鉴频信号，同时微控制器的外部时钟输入端接原子频标压控晶体振荡器(VCXO)经隔放后送入的信号，硬件连接如图5所示。

具体的锁定指示判断根据图3所示分为四种情况：1、微波探询信号的频率大于(小于)原子跃迁中心频率时，即f＞fo(f＜fo)，经量子鉴频、光检放大、方波整后得到的信号频率均与原来调制信号的频率一致，只是在相位上有所差异，此时原子频标处于未锁定状态；2、微波探询信号的频率等于原子跃迁中心频率时，即f＝fo，方波整形后得到的信号频率是原调制信号的2倍，此时原子频标处于锁定状态；3、微波探询信号的频率大大远离原子跃迁中心频率时，即f未进入有效的量子鉴频吸收带宽之内，经处理后得到的信号将是一个持续的电平，此时原子频标处于脱锁状态；4、另一种特殊的情况就是，在原子频标整机刚上电时(包含整机完全冷态上电与整机热态重新启动上电)，光谱灯有一个张驰振荡的过程，此时从量子系统鉴频输出端会检测到高频无规律的信号波形，直至光谱灯进入正常工作状态，而整个张弛振荡过程持续的时间由具体的整机冷、热态决定。对于这四种情况，采用4倍频调制信号的采样时序的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对量子鉴频后的信号进行电平采样，并分别记录为D1、D2、D3、D4。对于第一种情况，记录的4个电平中有3个低电平，1个高电平；对于第二种情况，记录的电平有关系式：D1＝D3并且D2＝D4；对于第三种情况，记录的电平有关系式：D1＝D2＝D3＝D4；对于第四种情况，由于此时刻光谱灯处于张弛振荡过程，量子鉴频处的信号高频无规律，多组连续4个采样时序上升沿采样得到的数据中有可能会出现第一种情况或第二种情况或第三种情况，故无法通过采样电平进行判断，解决的方法是：在此环节中，所要判断的是原子频标是否处于锁定状态，第四种情况明显说明原子频标并未处于锁定，在综合调制信号部分，采用的调制信号是一个低频信号，具体方案中取79Hz，在以连续4个上升沿触发的4倍频调制信号频率的采样时序中，可以设置多于一组(连续4个上升沿触发为一组)采样的判断方式，对多组采样得到的电平分别作原子频标锁定状态判断，并对多组判断做与运算，得到最终的锁定状态判断结果，这样就能够很好的第四种情况带来的问题。

在得到第二种情况的判断时，在用户端使能锁定指示，表征此时原子频标处于正常的锁定工作状态；在得到第一、三、四种情况的判断时，系统锁定指示使能为非状态，表征此时原子频标未能进入正常的锁定工作状态，在通过故障诊断程序的判断后，可以得到整机物理系统相关的功能部件故障指示，方便用户及调试人员对故障的判断。如图6所示。

在得到原子频标锁定状态判断结果后，尤其是得到非锁定状态指示结果后，是何原因造成的可进一步结合对监测点1、监测点2和监测点3的监测结果分析故障原因。

如图7所示，紧贴于光谱灯部分的热敏电阻1用于实时反映光谱灯的实际工作温度，对于被动型铷原子频标而言，光谱灯正常工作温度大致在一百多度左右，在此温度下，假如光谱灯温度变化1℃，则反映灯工作温度的热敏电阻1的阻值变化将在50Ω左右。将热敏电阻1接入一个由电压基准1及温度系数较小的固定电阻R1构成的串联环路中，通过A/D模块对热敏电阻1两端的电压进行采集，并将采样结果传递给单片机，通过单片机对A/D模块采样结果进行分析即可间接地判断光谱灯工作温度情况。此监测点1的故障发生有如下两种情况：1、光谱灯激励线圈及加热电路故障，表现为光谱灯中的铷元素不能正常起辉，导致光抽运过程无法完成，最终使整个被动型原子频标无法实现闭环锁定。2、控温电路故障，表现为光谱灯中的铷元素已经正常发光，光抽运过程正常，整机实现闭环锁定，由于光谱灯温度存在影响整机频率稳定度的波动，导致原子频标输出信号频率稳定度变差，不能满足实际应用的需求。以上故障经单片机采集、分析A/D模块的数据后，将故障指示输出给用户端。

紧贴于集成滤光共振泡部分的热敏电阻2用于实时反映腔泡系统的实际工作温度情况，对于被动型铷原子频标而言，腔泡系统正常工作温度大致在七十度左右，在此温度下，假如腔泡系统温度变化1℃，则反映其工作温度的热敏电阻2的阻值变化将在600Ω左右。将热敏电阻2接入一个由电压基准2及温度系数较小的固定电阻R2构成的串联环路中，通过A/D模块对热敏电阻2两端的电压进行采集，并将采样结果传递给单片机，通过单片机对A/D模块采样结果进行分析即可间接地判断腔泡系统工作温度情况。此监测点2的故障发生主要是控温电路故障，表现为集成滤光共振泡中的铷蒸气由于腔泡温度不稳定而有分布不均匀、密度不一致的现象，影响光抽运的效果，导致整机输出信号频率稳定度变差，不能满足实用的需求。以上故障经单片机采集、分析A/D模块的数据后，将故障指示输出给用户端。

在被动型铷原子频标中，系统所需磁场的制法往往是采用螺旋管电流方式，根据右手螺旋定则，电流产生的磁场方向可以方便地给出。其大小可用公式(1)计算：

$B=\frac{{\mathrm{\μ}}_0}{4\mathrm{\π}}2\mathrm{\πnI}({\cos \mathrm{\β}}_1-{\cos \mathrm{\β}}_2)...\left(1\right)$

其中，n为线圈单位长度匝数，它与C场的绕线圈数、绕线半径相关。I为通电电流，

为一常数值10^-7。cosβ₁、cosβ₂与计算通电腔内具体某处的磁场有关。将一个温度系数小的固定电阻R3与恒流源串联，同时与C场线圈构成一个闭合串联环路。通过A/D模块对固定电阻R3两端的电压进行采集，并将采样结果传递给单片机，通过单片机对A/D模块采样结果进行分析即可间接地判断整机C场环路工作情况。对于被动型铷原子频标而言，实际用C场恒流源电流大致为1-2mA。此监测点3的故障发生主要是恒流源电路故障，表现为C场电流起伏大甚至无电流现象，影响，原子分裂及量子化轴的效果。以上故障经单片机采集、分析A/D模块的数据后，将故障指示输出给用户端。

其监测流程如图8所示。

Claims (7)

1、一种被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法，它包括被动型铷原子频标系统，动被型铷原子频标系统由物理系统及电子线路两大部分组成；其中物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔、C场、磁屏；电子线路包括原子频标压控晶体振荡器VCXD，隔离放大电路，综合调制电路，倍频电路，微波倍混频器；微波倍混频器输出的微波探寻信号到物理系统中，物理系统实现量子系统鉴频的输出信号经光检放大和方波整形通过伺服电路将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细O-O跃迁频率上，其特征在于在原有的同步鉴相所需的调制信号、同步鉴相参考信号的同时，增添一路频率是调制信号4倍、相位可调、占空比为1∶1的方波采样时序信号；该采样时序对经量子鉴频、光检放大、方波整形后产生的交流信号进行锁定信息采集，用以判断此时刻原子频标锁定情况；其方法是：4倍频调制信号的采样时序的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对量子鉴频后的信号进行电平采样，并分别记录为D1、D2、D3、D4，依据所记录的四种采样电平高低不同判断原子频标是否处于锁定状态，当电平关系式为：D1＝D3并且D2＝D4时，表明原子频标是锁定状态。

2、如权利要求1所述被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法，其特征在于在光谱灯处设置光谱灯工作温度监测装置以监测光谱灯工作温度状况；在集成滤光共振泡处设置集成滤光共振泡的腔体工作温度监测装置以监测集成滤光共振泡的腔体工作温度状况；在C场的恒流源处设置C场的电流监测装置以监测C场的电流状况。

3、如权利要求1所述被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法，其特征在于用微控制器定时中断产生同步鉴相参考信号、4倍频采样时序信号，利用延时的方式实现4倍频采样时序信号相位任意移动；微控制器的采样输入端接来自于量子系统鉴频处理后的量子鉴频信号，同时微控制器的外部时钟输入端接原子频标压控晶体振荡器VCXO经隔放后送入的信号。

4、如权利要求2所述被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法，其特征在于所述光谱灯工作温度的监测是紧贴于光谱灯部分设热敏电阻1，热敏电阻1接入一个由电压基准1及温度系数较小的固定电阻R1构成的串联环路中，通过A/D模块对热敏电阻1两端的电压进行采集，并将采样结果传递给单片机，通过单片机对A/D模块采样结果进行分析即可间接地判断光谱灯工作温度情况。

5、如权利要求2所述被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法，其特征在于所述集成滤光共振泡的腔体工作温度的监测是紧贴于集成滤光共振泡部分的热敏电阻2，热敏电阻2接入一个由电压基准2及温度系数较小的固定电阻R2构成的串联环路中，通过A/D模块对热敏电阻2两端的电压进行采集，并将采样结果传递给单片机，通过单片机对A/D模块采样结果进行分析即可间接地判断腔泡系统工作温度情况。

6、如权利要求2所述被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法，其特征在于所述C场的电流的监测是。将一个温度系数小的固定电阻R3与恒流源串联，同时与C场线圈构成一个闭合串联环路。通过A/D模块对固定电阻R3两端的电压进行采集，并将采样结果传递给单片机，通过单片机对A/D模块采样结果进行分析即可间接地判断整机C场环路工作情况。

7、如权利要求1所述被动型铷原子频标锁定指示与故障诊断方法，其特征在于原子频标锁定指示判断中具有光谱灯出现张弛振荡的非锁定状态的判断，它是在综合调制电路中，采用的调制信号是一个低频信号，在以连续4个上升沿触发的4倍频调制信号频率的采样时序中，设置多于一组采样的判断方式，对多组采样得到的电平分别作原子频标锁定状态判断，并对多组判断做与运算，得到最终的锁定状态判断结果；其中连续4个上升沿触发为一组。

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