CN101984559B - 提高铷原子频标频率准确度的方法 - Google Patents

提高铷原子频标频率准确度的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种提高铷原子频标频率准确度的方法包括：(1)交替输出第一设定频率值和第二设定频率值作为综合调制信号，时序信号控制射频倍频单元工作；(2)压控晶体振荡器的输出频率和综合调制信号倍、混频得微波探询信号；(3)获得物理系统的线宽值，判断线宽值是否达到设定值，达到，则对量子鉴频信号鉴相得电压控制信号发送给压控晶体振荡器，否则进入步骤(4)；(4)重复依次输出第一设定频率值与线宽值的差值、第二设定频率值、第一设定频率值与线宽值的和以及第二设定频率值作为综合调制信号，时序信号控制射频倍频单元工作，返回步骤(2)。本发明能压缩物理系统的线宽，使相干微波探询信号对准实际的铷原子跃迁普线的标准频率。

Description

提高铷原子频标频率准确度的方法
技术领域
本发明涉及被动型铷原子频标领域，尤其涉及一种提高铷原子频标频率准确度的方法。
背景技术
原子频标是一种具有优良稳定度和准确度的频率源，已广泛应用于卫星的定位、导航和通信、仪器仪表以及天文等领域。而铷原子频标因其具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优势而成为目前应用最为广泛的原子频标。
铷原子频标主要包括压控晶体振荡器、物理系统和电子线路。物理系统具体包括产生抽运光的光谱灯、存储铷原子的集成滤光共振泡、存储微波场的微波腔、产生平行于所述微波腔轴线的静磁场的C场线圈(即均匀磁场线圈)、检测光信号的光电池、将微波耦合进所述微波腔的耦合环以及防止静磁场穿透的磁屏。电子线路具体包括射频倍频模块和综合伺服模块。综合伺服模块包括用于产生频率合成指令、键控调频信号、同步鉴相参考信号的微处理器、用于根据微处理器产生的频率合成指令产生综合调制信号的数字频率合成器以及用于进行同步鉴相的同步鉴相模块。射频倍、混频模块包括用于将压控晶体振荡器的输出频率进行倍频的射频倍频单元和用于将经过所述射频倍频单元倍频后的压控晶体振荡器的输出频率和数字频率合成器产生的综合调制信号进行倍频和混频的微波倍、混频单元。
工作时，射频倍频单元将压控晶体振荡器的输出频率倍频到铷原子跃迁频率附近，微波倍、混频单元将数字频率合成器产生的综合调制信号和倍频后的压控晶体振荡器的输出频率进行倍频和混频后产生微波探询信号，微波探询信号经耦合环耦合进所述微波腔中去探询铷原子的跃迁。同时，存储在集成滤光共振泡中的铷原子被光谱灯照射后，铷原子基态的两个超精细能级之间发生粒子反转。当微波探询信号的频率与两个超精细能级的频率差相同时，铷原子则从上能级跃迁至下能级即发生原子跃迁。原子跃迁发生时，光电池将探测到光强信号的变化，而产生光检信号即量子鉴频信号。同步鉴相模块将量子鉴频信号和微处理器产生的同步鉴相参考信号进行同步鉴相得到电压控制信号去锁定压控晶体振荡器，使压控晶体振荡器的输出频率与铷原子跃迁普线频率相同，从而得到标准频率输出。
然而，由于C场线圈实际产生的磁场并不均匀，因而铷原子跃迁谱线不可能是绝对对称的。这样，经过射频倍频单元的压控晶体振荡器的输出频率和由数字频率合成器调制生成的综合调制信号经过微波倍、混频单元的倍频和混频后产生的微波探询信号的频率不能对准铷原子跃迁普线的标准频率，从而光电池产生的量子鉴频信号通过同步鉴相处理后得到的电压控制信号不准确，进而由电压控制信号锁定的压控晶体振荡器的输出频率不是标准频率输出。
因此，有必要提供一种提高铷原子频标频率准确度的方法来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种提高铷原子频标频率准确度的方法，能压缩铷原子频标中物理系统的自然线宽，从而使相干微波探询信号对准实际的铷原子跃迁普线的标准频率，进而提高铷原子频标输出频率的准确度。
为了实现上述目的，本发明提供了一种提高铷原子频标频率准确度的方法，包括如下步骤：(1)数字频率合成器根据微处理器发送的键控调频信号交替输出第一设定频率值和第二设定频率值作为综合调制信号，同时，所述微处理器发送与所述键控调频信号同频同相的工作时序信号控制射频倍频单元的工作状态；(2)所述射频倍频单元将压控晶体振荡器的输出频率信号进行倍频；微波倍、混频单元将经过所述射频倍频单元倍频后的所述压控晶体振荡器的输出频率信号再次倍频后与所述综合调制信号进行混频得到脉冲式相干微波探询信号；(3)所述微处理器根据物理系统对所述相干微波探询信号进行鉴频得到的量子鉴频信号获得所述物理系统的线宽值，并判断所述线宽值是否达到线宽设定值，若达到，则发送同步鉴相参考信号对所述量子鉴频信号鉴相，并得到电压控制信号，以调整所述压控晶体振荡器的输出频率，否则进入步骤(4)；(4)所述数字频率合成器根据所述微处理器发送的键控调频信号重复依次输出所述第一设定频率值与所述物理系统的线宽值的差值、所述第二设定频率值、所述第一设定频率值与所述物理系统的线宽值的和以及所述第二设定频率值作为所述综合调制信号，同时，所述微处理器发送与所述键控调频信号同频同相的工作时序信号控制所述射频倍频单元的工作状态，再返回步骤(2)。
具体地，所述步骤(1)之前，还包括步骤：所述微处理器将第一设定频率值和第二设定频率值通过控制字命令分别写入所述数字频率合成器中。
具体地，所述步骤(4)之前，还包括步骤：所述微处理器将所述第一设定频率值与所述物理系统的线宽值的差值、所述第一设定频率值与所述物理系统的线宽值的和以及所述第二设定频率值写入所述数字频率合成器中。
具体地，所述键控调频信号和所述工作时序信号均为占空比为1∶1的方波信号。
具体地，所述第一设定频率值由所述微处理器发送给所述数字频率合成器的分频数值、所述数字频率合成器的外部参考时钟信号频率和所述数字频率合成器的频率控制寄存器的位数决定，所述第二设定频率值为0。
与现有技术相比，本发明通过微处理器产生的键控调频信号控制数字频率合成器交替输出两个设定频率值作为综合调制信号，并通过微处理器产生的与键控调频信号同频同相的工作时序信号控制射频倍频单元的工作状态即禁止射频倍频单元工作或使射频倍频单元工作，从而产生脉冲式相干微波探询信号，这相当于产生了脉冲式的微波辐射场，当所述脉冲式相干微波探询信号作用于物理系统时，物理系统中的铷原子与所述脉冲式的微波辐射场发生相干作用，因而有效延长了铷原子频标的驰豫时间，进而压缩了铷原子频标中物理系统的自然线宽，使相干微波探询信号对准了实际的铷原子跃迁普线的标准频率，而提高了铷原子频标输出频率的准确度。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为采用本发明提高铷原子频标频率准确度的方法的铷原子频标的结构示意图。
图2为本发明提高铷原子频标频率准确度的方法的主流程图。
图3为本发明提高铷原子频标频率准确度的方法的步骤S2中键控调频信号、综合调制信号以及控制射频倍频单元工作状态的工作时序信号的波形图。
图4为本发明提高铷原子频标频率准确度的方法的步骤S8中键控调频信号、综合调制信号以及控制射频倍频单元工作状态的工作时序信号的波形图。
图5为采用本发明提高铷原子频标频率准确度的方法后，得到的量子鉴频信号的强度与相干微波探询信号的关系示意图。
具体实施方式
现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。
如图1所示，采用本实施例提高铷原子频标频率准确度的方法的铷原子频标包括：微控制器10、数字频率合成器11、压控晶体振荡器12、隔离放大器13、射频倍频单元14、微波倍、混频单元15、物理系统16以及同步鉴相模块17。所述物理系统16包括产生抽运光的光谱灯161、存储铷原子的集成滤光共振泡162、存储微波场的微波腔163、产生平行于所述微波腔轴线的静磁场的C场线圈164、检测光信号即量子鉴频信号的光电池165、将微波探询信号耦合进所述微波腔的耦合环166、防止静磁场穿透的磁屏167、使所述光谱灯161和所述微波腔163保持恒温状态的所述温度控制模块168以及为所述C场线圈164提供电流的恒流源169。
如图2所示，本实施例提高铷原子频标频率准确度的方法包括如下步骤：
步骤S1，所述微处理器10将第一设定频率值F1和第二设定频率值F0通过控制字命令分别写入所述数字频率合成器11的频率控制寄存器(未图示)中；
步骤S2，所述数字频率合成器11根据所述微处理器10发送的占空比为1∶1的方波式的键控调频信号f1交替输出第一设定频率值F1和第二设定频率值F0作为综合调制信号f2，同时，所述微处理器10发送与所述键控调频信号f1同频同相的占空比为1∶1的方波式的工作时序信号f3控制所述射频倍频单元14的工作状态；
步骤S3，所述射频倍频单元14将所述压控晶体振荡器12的输出频率f进行倍频；
步骤S4，所述微波倍、混频单元15将经过所述射频倍频单元14倍频后的所述压控晶体振荡器12的输出频率f再次倍频后与所述综合调制信号f2进行混频得到脉冲式相干微波探询信号；
步骤S5，所述微处理器10根据物理系统16对所述相干微波探询信号进行鉴频得到的量子鉴频信号获得所述物理系统16的线宽值；
步骤S6，判断所述线宽值是否达到线宽设定值，若达到，则进入步骤S9否则进入步骤S7；
步骤S7，所述微处理器10将所述第一设定频率值F1与所述物理系统16的线宽值的差值F1(1)、所述第一设定频率值F1与所述物理系统16的线宽值的和F1(2)以及所述第二设定频率值F0写入所述数字频率合成器11的频率控制寄存器中；
步骤S8，所述数字频率合成器11根据所述微处理器10发送的占空比为1∶1的方波式的键控调频信号f1重复依次输出所述第一设定频率值F1与所述物理系统16的线宽值的差值F1(1)、所述第二设定频率值F0、所述第一设定频率值F1与所述物理系统16的线宽值的和F1(2)以及所述第二设定频率值F0作为所述综合调制信号f2，同时，所述微处理器10发送与所述键控调频信号f1同频同相的占空比为1∶1的方波式的工作时序信号f3控制所述射频倍频单元14的工作状态，再返回步骤S3；
步骤S9，所述微处理器10发送同步鉴相参考信号给所述同步鉴相模块17对所述量子鉴频信号鉴相，并得到电压控制信号U，以调整所述压控晶体振荡器12的输出频率f。
在步骤S5中，从量子鉴频信号中获得所述物理系统16的线宽值可通过借助扫频仪及记录仪的传统测量线宽的方法进行测量。具体方法为：通过改变扫频仪的频率，作用于物理系统16，然后通过记录仪记录光电检测环节输出的信号。线宽值为当光电检测输出信号为峰值的1/2时，对应的扫频仪的两个频率的差值。
具体地，所述数字频率合成器11的频率控制寄存器为48位，则第一设定频率值F1按照公式
Figure GDA0000134118660000061
计算。其中，D为所述微处理器10发送给所述数字频率合成器11的分频数值，可根据实际需要得到的数字频率设置；f0为所述数字频率合成器11的外部参考时钟信号频率即为所述压控晶体振荡器12的输出频率。所述第二设定频率值F0为0。所述线宽设定值为1赫兹。
图5图示了采用本发明提高铷原子频标频率准确度的方法后，得到的量子鉴频信号的强度与相干微波探询信号的关系。图中，X轴表示相干微波探询信号的频率，Y轴表示量子鉴频信号的强度，I为包络线表示未采用本发明的方法的量子鉴频信号的强度与相干微波探询信号的关系，箭头a和箭头b之间的距离为采用本发明的方法后的物理系统的线宽，箭头c和箭头d之间的距离为未采用发明的方法的物理系统的线宽。由图可知，采用了本发明提高铷原子频标频率准确度的方法后，物理系统的线宽明显被压缩。
从上述技术方案可知，本发明通过微处理10产生的键控调频信号f1控制数字频率合成器11交替输出两个设定频率值F1、F0作为综合调制信号f2，并通过微处理器10产生的与键控调频信号f1同频同相的工作时序信号f3控制射频倍频单元14的工作状态，从而产生脉冲式相干微波探询信号，这相当于产生了脉冲式的微波辐射场，当所述脉冲式相干微波探询信号作用于物理系统16时，物理系统16中的铷原子与所述脉冲式的微波辐射场发生相干作用，因而有效延长了铷原子频标的驰豫时间，进而压缩了铷原子频标中物理系统16的自然线宽，使相干微波探询信号对准了实际的铷原子跃迁普线的标准频率，而提高了铷原子频标输出频率f的准确度。
以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。

Claims (5)

1.一种提高铷原子频标频率准确度的方法，包括：
(1)数字频率合成器根据微处理器发送的键控调频信号交替输出第一设定频率值和第二设定频率值作为综合调制信号，同时，所述微处理器发送与所述键控调频信号同频同相的工作时序信号控制射频倍频单元的工作状态；
(2)所述射频倍频单元将压控晶体振荡器的输出频率信号进行倍频，微波倍、混频单元将经过所述射频倍频单元倍频后的所述压控晶体振荡器的输出频率信号再次倍频后与所述综合调制信号进行混频得到脉冲式相干微波探询信号；
(3)所述微处理器根据物理系统对所述相干微波探询信号进行鉴频得到的量子鉴频信号获得所述物理系统的线宽值，并判断所述线宽值是否达到线宽设定值，若达到，则发送同步鉴相参考信号对所述量子鉴频信号鉴相，并得到电压控制信号，以调整所述压控晶体振荡器的输出频率，否则进入步骤(4)；
(4)所述数字频率合成器根据所述微处理器发送的键控调频信号重复依次输出所述第一设定频率值与所述物理系统的线宽值的差值、所述第二设定频率值、所述第一设定频率值与所述物理系统的线宽值的和以及所述第二设定频率值作为所述综合调制信号，同时，所述微处理器发送与所述键控调频信号同频同相的工作时序信号控制所述射频倍频单元的工作状态，再返回步骤(2)。
2.如权利要求1所述的提高铷原子频标频率准确度的方法，其特征在于，所述步骤(1)之前，还包括步骤：
所述微处理器将第一设定频率值和第二设定频率值通过控制字命令分别写入所述数字频率合成器中。
3.如权利要求2所述的提高铷原子频标频率准确度的方法，其特征在于，所述步骤(4)之前，还包括步骤：
所述微处理器将所述第一设定频率值与所述物理系统的线宽值的差值、所述第一设定频率值与所述物理系统的线宽值的和以及所述第二设定频率值写入所述数字频率合成器中。
4.如权利要求1所述的提高铷原子频标频率准确度的方法，其特征在于，所述键控调频信号和所述工作时序信号均为占空比为1∶1的方波信号。
5.如权利要求1所述的提高铷原子频标频率准确度的方法，其特征在于，所述第一设定频率值由所述微处理器发送给所述数字频率合成器的分频数值、所述数字频率合成器的外部参考时钟信号频率和所述数字频率合成器的频率控制寄存器的位数决定，所述第二设定频率值为0。
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