CN102130685B - 一种原子频标仿真方法和仿真器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子频标仿真方法和仿真器，该仿真方法包括获取仿真参数，根据获得的仿真参数得到鉴频斜率，所述鉴频斜率根据公式

该仿真器由压控晶体振荡器模块、微波探询信号产生模块、量子系统模块和伺服环路模块对应的仿真模型依次首尾相连而成。所述量子系统模块的仿真模型根据公式

其中Kr表示量子系统的鉴频斜率，

为微波探询信号中的调制信号的载波角频率，

为调频频率，″_m为调频频率的最大频偏，

为原子跃迁频率，

为线宽，S₀为线高。该仿真方法和仿真器可以给模块调试人员提供参考，便于原子频标的制造。

Description

一种原子频标仿真方法和仿真器

技术领域

本发明涉及电子技术领域，尤其涉及一种原子频标仿真方法和仿真器。

背景技术

在被动型原子频标的伺服控制环路中，量子系统、相敏检波器、压控振荡器等均具有非线性特性，因此环路分析非常复杂。在实际的控制环路构成中，各部件都会对控制环路引入各自相应的噪声，这些噪声通过控制环路必将对频标的输出带来影响。

在搭建一台标准的原子频标整机工作中，我们需要对组成频标中的各个环节做大量的调试工作来完善整机的性能，就目前而言，各个环节的调试人员在调试独立的相关环节时，都需要借助整机来进一步完成调试工作，即使独立的模块完成后，需要团队一起将模块拼结，共同完善整机的指标，浪费资源和时间，给调试工作带来极大的不便。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于提供一种原子频标仿真方法和仿真器，以便于给模块调试人员提供参考，进而便于原子频标的设计制造。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种原子频标仿真方法，其包括以下步骤：

获取仿真参数，所述仿真参数包括原子吸收谱线的线高、线宽、微波探询信号中的调制信号的载波角频率、调频频率和调频频率的最大频偏；

根据所述仿真参数得到量子系统的鉴频斜率，所述鉴频斜率根据公式 $\mathrm{Kr}=S_0[\frac{12({\mathrm{\ω}}_S-{\mathrm{\ω}}_0)+v_m^3+2v_m^2}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^4}-\frac{2v_m}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^2}]$ 获得，其中Kr表示量子系统的鉴频斜率，ω_S为微波探询信号中的调制信号的载波角频率，ω_m为调频频率，

v_m为调频频率的最大频偏，ω₀为原子跃迁频率，Δv为线宽，S₀为线高。

本发明还提供了一种原子频标仿真器，由压控晶体振荡器模块、微波探询信号产生模块、量子系统模块和伺服环路模块对应的仿真模型依次首尾相连而成，所述量子系统模块的仿真模型根据以下公式建立：

$\mathrm{Kr}=S_0[\frac{12({\mathrm{\ω}}_S-{\mathrm{\ω}}_0)+v_m^3+2v_m^2}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^4}-\frac{2v_m}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^2}],$

其中Kr表示量子系统的鉴频斜率，ω_S为微波探询信号中的调制信号的载波角频率，ω_m为调频频率，v_m为调频频率的最大频偏，ω₀为原子跃迁频率，Δv为线宽，S₀为线高。

进一步地，所述微波探询信号产生模块的仿真模型包括倍频增益仿真单元和综合调制仿真单元，所述倍频增益仿真单元与压控晶体振荡器模块仿真模型的输出端相连，所述综合调制仿真单元的输出端与所述倍频增益仿真单元的输出端通过加法器相连。

本发明的原子频标仿真方法和仿真器可以对原子频标进行有效仿真分析和实验验证，从而为模块调试人员提供参考，简化原子频标的调试工作，便于原子频标的制造，同时可以大大减少实验设计中的重复性工作，使得工作效率明显提高。

附图说明

图1为本发明原子频标仿真方法的一个实施例的流程图。

图2为本发明原子频标仿真器的一个实施例的结构示意图。

图3为图2所示原子频标仿真器的量子系统模块的仿真模型示意图。

图4为图2所示原子频标仿真器的压控晶体振荡器模块和微波探询信号产生模块的仿真模型示意图。

图5为图2所示原子频标仿真器的微波探询信号产生模块的前置放大单元的仿真模型示意图。

图6为图2所示原子频标仿真器的微波探询信号产生模块的选频放大单元的仿真模型示意图。

图7为图2所示原子频标仿真器的微波探询信号产生模块的同步鉴相单元的仿真模型示意图。

为了使本发明的技术方案更加清楚、明了，下面将结合附图作进一步详述。

具体实施方式

本发明提供了一种原子频标仿真方法和仿真器，以便于给模块调试人员提供参考，进而便于原子频标的设计制造。

图1为本发明原子频标仿真方法的一个实施例的流程图。本实施例的原子频标仿真方法包括：

步骤S101：获取仿真参数，所述仿真参数包括原子吸收谱线的线高、线宽、微波探询信号中的调制信号的载波角频率、调频频率和调频频率的最大频偏。

步骤S102：根据所述仿真参数得到量子系统的鉴频斜率，所述鉴频斜率根据公式 $\mathrm{Kr}=S_0[\frac{12({\mathrm{\ω}}_S-{\mathrm{\ω}}_0)+v_m^3+2v_m^2}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^4}-\frac{2v_m}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^2}]$ 获得，其中Kr表示量子系统的鉴频斜率，ω_S为微波探询信号中的调制信号的载波角频率，ω_m为调频频率，v_m为调频频率的最大频偏，ω₀为原子跃迁频率，Δv为线宽，S₀为线高。

本实施例的原子频标仿真方法中的所述线宽、线高可以通过测量实际的原子频标的原子吸收谱线而获得，根据原子频标量子系统鉴频特征来建立仿真，可以对原子频标进行有效仿真分析和实验验证，为模块调试人员提供参考，简化原子频标的调试工作，便于原子频标的制造，同时可以大大减少实验设计中的重复性工作，使得工作效率明显提高。

需要说明的是，本实施例的原子频标仿真方法中的其它模块，比如压控晶体振荡器模块、微波探询信号产生模块和伺服环路模块均可根据实际电路中的相应元件参数来搭建的仿真模型，然后将各个模块的仿真模型首位相接，构成整个原子频标的闭环仿真模型。此为本领域技术人员熟知，在此省略详细描述。

图2显示了本发明的原子频标仿真器的一个实施例，如图2所示，本实施例的原子频标仿真器包括压控晶体振荡器模块仿真模型21、微波探询信号产生模块仿真模型22、量子系统模块仿真模型23和伺服环路模块仿真模型24，所述压控晶体振荡器模块仿真模型21、微波探询信号产生模块仿真模型22、量子系统模块仿真模型23和伺服环路模块仿真模型24依次首尾相连。

一台完整的原子频标系统实际上当环路锁定以后，各部件都只工作在中心频率附近的很小的线性区内。因此，为了简化对环路动态特性的分析，可以将其线性化。此时，环路各部件可以用各自的传递函数来表示，如图2所示。

图2中，Kr为量子系统的鉴频斜率；Kf(f)为伺服环路的传递函数；Kv为压控振荡器的压控斜率；M和Z分别为倍频器和综合器的频率变换系数。根据上图，可以得到下面的关系式：

[v₀-v_ql(M-Z)]×K_rK_fK_v+v_qf＝v_ql(1)

式中，v_ql、v_qf分别为闭环、开环时压控振荡器输出频率。

$\frac{v_{q1}-\frac{v_0}{M-Z}}{v_{\mathrm{qf}}-\frac{v_0}{M-Z}}=\frac{1}{1+(M-Z)K_r{K}_f{K}_v}---\left(2\right)$

上式说明环路锁定以后，闭环频差减小到了开环频差的1/(1+G(f)，由于(M-Z)K_rK_fK_v》1，所以G(f)为环路增益：

G(f)＝(M-Z)KrKf(f)Kv。            (3)

根据式(3)建立模型来评估原子频标性能。需要注意的是：式(3)中的参量M、Z、K_f(f)、Kv可以根据实际电路中的相应元件参数来搭建仿真模型，而Kr为量子系统的鉴频斜率，无法直接建立模型，需要通过进一步的研究得到。根据Kenschaft模型有：

$G\left(\mathrm{\ω}\right)=\frac{S_0}{1+{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^2}---\left(4\right)$

其中ω为微波输入信号，ω₀为原子跃迁频率，Δv为线宽，S₀为线高。由式(4)可知原子吸收线为洛伦兹线形，它描述了光输入信号随输入微波频率信号的变化关系。当整个原子频标处于闭环锁定时，

，应用泰勒级数得到Kenschaft模型的展开为：

$G\left(\mathrm{\ω}\right)=S_0[1-{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^4-{\left(\frac{\mathrm{\ω}-{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{\Δv}}\right)}^6\·]---\left(5\right)$

在整个原子频标电路部分，为了进行同步鉴相，在微波探询信号中加上了一个小调制，为方便起见我们设定为正弦波调制，有：

ω＝v_msinω_mt+ω_S  (6)

式中，ω_S为调制信号的载波角频率，ω_m为调频频率，v_m为调频频率的最大频偏。将式(6)代入式(5)，并考虑v_m和ω_S-ω₀均较小，所以(ω_S-ω₀)ⁿ和(v_msinω_mt)ⁿ在n＞3时，其展开后对一次谐波的贡献量很小，可忽略不记略去，即可得到前述量子系统公式：

$\mathrm{Kr}=S_0[\frac{12({\mathrm{\ω}}_S-{\mathrm{\ω}}_0)+v_m^3+2v_m^2}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^4}-\frac{2v_m}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^2}]---\left(7\right)$

根据公式(7)建立量子系统模块仿真模型，以完成微波探询信号的输入与量子鉴频信号的输出转换，如图3所示。量子系统即是物理系统，主要包括光谱灯、集成滤光共振吸收泡、磁屏、磁场和光电池。所述量子系统模块的具体结构为本领域技术人员熟知，在此省略详细描述。本发明的量子系统仿真模块仿真模型21是根据量子系统鉴频特征来建立。

参见图4，所述微波探询信号产生模块仿真模型22包括倍频增益仿真单元221和综合调制仿真单元222，所述倍频增益仿真单元221与压控晶体振荡器模块仿真模型21的输出端相连，所述综合调制仿真单元222的输出端与所述倍频增益仿真单元221的输出端通过加法器223相连，以进行混频处理。所述倍频增益仿真单元221和综合调制仿真单元222一方面可以用仿真软件实现，另一方面也可以用相关的硬件电路实现。

进一步地，所述伺服环路模块24的仿真模型包括前置放大单元、选频放大单元和同步鉴相单元。其中，所述前置放大单元用于对所述量子系统模块的输出信号进行放大；所述选频放大单元用于对所述前置放大单元的输出信号进行选频，以输出与调制信号同频的信号；所述同步鉴相单元用于完成所述选频放大单元输出信号与调制参考信号的同步鉴相，以得到量子纠偏信号。进一步地，所述输出信号为所述量子系统模块的光电池上产生的电信号，所述电信号由所述量子系统中光谱灯的抽运光经过集成滤光共振吸收泡量子鉴频后产生。同样地，所述前置放大单元、选频放大单元和同步鉴相单元可以用仿真软件实现，也可以用相关的硬件电路实现。

更进一步地，如图5所示，在本实施例中，所述前置放大单元包括多个电阻R1、R2、Rf1、Rf2、Rk、R11、R12和三个运算放大器A1、A2、A3，其中，电阻R1串联在光电池与运算放大器A1的同相输入端之间，电阻R2串联在光电池与运算放大器A2的同相输入端之间，电阻Rk串联在运算放大器A1、A2的反相输入端之间，所述运算放大器A1的输出端串联一个电阻R11后与运算放大器A3的反相输入端相连，所述运算放大器A2的输出端串联一个电阻R11后与运算放大器A3的同相输入端相连，运算放大器A3的输出端与所述选频放大单元的输入端相连。所述运算放大器A1、A2、A3的输出端和各自的反相输入端之间分别串联有电阻Rf1、Rf2和R12。

如图6所示，所述选频放大单元包括多个电阻R4、R5、R41、R42、R51、R52、两个运算放大器A4、A5和多个电容C41、C42、C51、C52，电阻R4串联在所述前置放大单元的输出端和运算放大器A4的同相输入端之间，电阻R42与电容C42并联后串联在运算放大器的反相输入端和输出端之间，电阻R41和电容C41串联后连接在运算放大器A4的反相输入端和地之间，电阻R52与电容C52并联后串联在运算放大器A5的反相输入端和输出端之间，电阻R51和电容C51串联后连接在运算放大器A5的反相输入端和地之间。

如图7所示，所述同步鉴相单元包括运算放大器A6、同步鉴相芯片和多个电容C61～C64和电阻R61～R67，其中，多个电容C61～C64串联在运算放大器A6的反相输入端与所述选频放大单元的输出端之间，相邻两电容的连接点与地之间分别串联有一个电阻R61～R63，电容C61与C62的连接点与运算放大器A6的反相输入端之间串联一电阻R64，运算放大器A6的输出端与所述同步鉴相芯片的一个输入端相连、且依次串联电阻R65和R67后接地，运算放大器A6的同相输入端串联电阻R66后与所述电阻R67串联，所述同步鉴相芯片的另一个输入端输入调制参考信号，所述调制参考信号与前述调制信号为同频同相的信号，此为本领域技术人员熟知，在此省略详细描述。

需要说明的是，前述前置放大单元、选频放大单元和同步鉴相单元结构简单，便于实现且满足仿真需求，但是不限于前述结构，也可以采用其它较复杂的结构，在此省略详细描述。本实施例的原子频标仿真方法和仿真器不仅便于原子频标各模块的调试，而且可以通过改变电路中的相关参数来改变性能，通过多点测试实验数据，找到最优的参数值，提供参考，例如：要找具体的调制信号频率，可能用到70Hz，130Hz，112Hz等等，从而可以大大减少实验设计中的重复性工作，使得工作效率明显提高。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接应用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种原子频标仿真方法，其特征在于，包括：

获取仿真参数，所述仿真参数包括原子吸收谱线的线高、线宽、微波探询信号中的调制信号的载波角频率、调频频率和调频频率的最大频偏；以及

根据所述仿真参数得到量子系统的鉴频斜率，所述鉴频斜率根据公式 $\mathrm{Kr}=S_0[\frac{12({\mathrm{\ω}}_S-{\mathrm{\ω}}_0)+v_m^3+{2v}_m^2}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^4}-\frac{{2v}_m}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^2}]$ 获得，其中Kr表示量子系统的鉴频斜率，ω_S为微波探询信号中的调制信号的载波角频率，ω_m为调频频率，v_m为调频频率的最大频偏，ω₀为原子跃迁频率，Δv为线宽，S₀为线高。

2.一种原子频标仿真器，由压控晶体振荡器模块、微波探询信号产生模块、量子系统模块和伺服环路模块对应的仿真模型依次首尾相连而成，其特征在于，所述量子系统模块的仿真模型根据以下公式建立：

$\mathrm{Kr}=S_0[\frac{12({\mathrm{\ω}}_S-{\mathrm{\ω}}_0)+v_m^3+{2v}_m^2}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^4}-\frac{{2v}_m}{{\left(\mathrm{\Δv}\right)}^2}],$

其中Kr表示量子系统的鉴频斜率，ω_S为微波探询信号中的调制信号的载波角频率，ω_m为调频频率，v_m为调频频率的最大频偏，ω₀为原子跃迁频率，Δv为线宽，S₀为线高。

3.根据权利要求2所述的原子频标仿真器，其特征在于，所述微波探询信号产生模块的仿真模型包括倍频增益仿真单元和综合调制仿真单元，所述倍频增益仿真单元与压控晶体振荡器模块仿真模型的输出端相连，所述综合调制仿真单元的输出端与所述倍频增益仿真单元的输出端通过加法器相连。

4.根据权利要求2所述的原子频标仿真器，其特征在于，所述伺服环路模块包括：

前置放大单元，用于对所述量子系统模块的输出信号进行放大；

选频放大单元，用于对所述前置放大单元的输出信号进行选频，以输出与调制信号同频的信号；

同步鉴相单元，用于完成所述选频放大单元输出信号与调制参考信号的同步鉴相，以得到量子纠偏信号。

5.根据权利要求4所述的原子频标仿真器，其特征在于，所述前置放大单元包括所述前置放大单元包括多个电阻R1、R2、Rf1、Rf2、Rk、R11、R12和三个运算放大器A1、A2、A3，其中，电阻R1串联在光电池与运算放大器A1的同相输入端之间，电阻R2串联在光电池与运算放大器A2的同相输入端之间，电阻Rk串联在运算放大器A1、A2的反相输入端之间，所述运算放大器A1的输出端串联一个电阻R11后与运算放大器A3的反相输入端相连，所述运算放大器A2的输出端串联一个电阻R11后与运算放大器A3的同相输入端相连，运算放大器A3的输出端与所述选频放大单元的输入端相连，所述运算放大器A1、A2、A3的输出端和各自的反相输入端之间分别串联有电阻Rf1、Rf2、R12。

6.根据权利要求4所述的原子频标仿真器，其特征在于，所述选频放大单元包括多个电阻R4、R5、R41、R42、R51、R52、两个运算放大器A4、A5和多个电容C41、C42、C51、C52，其中，电阻R4串联在所述前置放大单元的输出端和运算放大器A4的同相输入端之间，电阻R42与电容C42并联后串联在运算放大器A4的反相输入端和输出端之间，电阻R41和电容C41串联后连接在运算放大器A4的反相输入端和地之间，电阻R52与电容C52并联后串联在运算放大器A5的反相输入端和输出端之间，电阻R51和电容C51串联后连接在运算放大器A5的反相输入端和地之间。

7.根据权利要求4所述的原子频标仿真器，其特征在于，所述同步鉴相单元包括运算放大器A6、同步鉴相芯片和多个电容C61~C64和电阻R61~R67，其中，多个电容C61~C64串联在运算放大器A6的反相输入端与所述选频放大单元的输出端之间，相邻两电容的连接点与地之间分别串联有一个电阻R61~R63，电容C61与电容C62的连接点与运算放大器A6的反相输入端之间串联一电阻R64，运算放大器A6的输出端与所述同步鉴相芯片的输入端相连、且依次串联电阻R65和R67后接地，运算放大器A6的同相输入端串联电阻R66后与所述电阻R67串联。

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