CN102201811B - 减小原子频标的微波功率频移的方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种减小原子频标的微波功率频移的装置，包括同步鉴相模块，用于对物理系统输出的光检测信号进行同步鉴相得到纠偏电压；电压采样模块，用于将光检测信号转换为光检测电压信号；光检信号反馈模块，用于计算检测电压采样模块发送的光检测电压信号的最大峰值和最小峰值的差值，并放大所述差值得到直流电压；差分放大模块，用于计算放大光检信号反馈模块发送的直流电压和同步鉴相模块发送的纠偏电压，并计算两者的差值得到量子纠偏信号，并将量子纠偏信号作用于压控晶体振荡器。本发明的减小原子频标的微波功率频移的装置能减小微波功率频移，从而提高铷原子频标的频率稳定度。本发明还公开了一种减小原子频标的微波功率频移的方法。

Description

减小原子频标的微波功率频移的方法及其装置

技术领域

本发明涉及被动型铷原子频标领域，尤其涉及一种减小原子频标的微波功率频移的方法及其装置。

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。电子线路具体包括微波探询信号产生模块和同步鉴相模块。微波探询信号产生模块用于产生微波探询信号作用于物理系统，使物理系统输出光检测信号，并产生同步鉴相参考信号。同步鉴相模块用于根据同步鉴相参考信号，对物理系统输出的光检测信号进行同步鉴相得到纠偏电压。

通常，物理系统中集成滤光共振泡的体积比较大，集成滤光共振泡中各部分原子所受到的C场是不均匀的。假设将集成滤光共振泡中原子分成两部分即第一原子部分和第二原子部分，由于这两部分的原子受到的C场不同，它们的原子基态跃迁中心频率也有所不同，第一原子部分具有第一跃迁谱线，第二原子部分具有第二跃迁谱线，因此，实际观察到的共振谱线是第一跃迁谱线和第二跃迁谱线的叠加，叠加后的谱线中心频率不但依赖于第一跃迁谱线和第二跃迁谱线本身的中心频率，而且还依赖于第一跃迁谱线和第二跃迁谱线的相对强度。当输送至物理系统的微波探询信号的功率即微波功率发生变化时，第一跃迁谱线和第二跃迁谱线相对变化量就不一致，因而，导致叠加后的谱线中心频率发生变化，从而造成微波功率频移，进而影响原子频标的频率稳定度。另外，经试验得出微波功率与原子频标输出的频率和光检测信号均成正比关系，因此，微波功率的变大会导致原子频标输出的频率升高，产生误差纠偏。

因此，有必要提供一种减小原子频标的微波功率频移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减小原子频标的微波功率频移的方法及其装置，能减小微波功率频移，从而提高铷原子频标的频率稳定度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种减小原子频标的微波功率频移的装置，包括：微波探询信号产生模块，用于产生微波探询信号作用于物理系统，使物理系统输出光检测信号，并产生同步鉴相参考信号；同步鉴相模块，用于根据同步鉴相参考信号，对物理系统输出的光检测信号进行同步鉴相得到纠偏电压；电压采样模块，用于将物理系统输出的光检测信号转换为光检测电压信号；光检信号反馈模块，用于检测电压采样模块发送的光检测电压信号的最大峰值和最小峰值，计算最大峰值和最小峰值的差值，并放大所述差值得到直流电压；以及差分放大模块，用于放大光检信号反馈模块发送的直流电压和同步鉴相模块发送的纠偏电压，计算放大后两者的差值得到量子纠偏信号，并将量子纠偏信号作用于压控晶体振荡器。

较佳地，所述光检信号反馈模块包括：最大峰值检测单元，用于检测电压采样模块发送的电压信号的最大峰值；用于检测电压采样模块发送的电压信号的最小峰值；以及比较单元，用于计算最大峰值和最小峰值的差值，放大所述差值得到直流电压。

较佳地，所述最大峰值检测单元包括第一比较器、第一二极管、第二二极管、第一反馈电阻、第一电容、第一放电电阻和第一电压跟随器，第一比较器的同相输入端与电压采样模块的输出端连接，第一比较器的反相输入端通过第一反馈电阻与第一电压跟随器的输出端连接，第一比较器的输出端与第一二极管的负极和第二二极管的正极连接，第一二极管的正极连接在第一比较器的反相输入端和第一反馈电阻之间，第二二极管的负极与第一电压跟随器的同相输入端连接，第一电压跟随器的同相输入端还通过第一电容接地，第一放电电阻与第一电容并联，第一电压跟随器的反相输入端与输出端连接，第一电压跟随器的输出端与比较单元连接。

较佳地，所述最小峰值检测单元包括反相器、第二比较器、第三二极管、第四二极管、第二反馈电阻、第二电容、第二放电电阻和第二电压跟随器，反相器的同相输入端通过接地电阻接地，反相器的反相输入端通过第一连接电阻接收负幅度直流电平且通过第二连接电阻与电压采样模块的输出端连接，反相器的输出端通过第三反馈电阻与反相输入端连接，第二比较器的反相输入端通过第二反馈电阻与第二电压跟随器的输出端连接，第二比较器的输出端与第三二极管的负极和第四二极管的正极连接，第三二极管的正极连接在第二比较器的反相输入端和第二反馈电阻之间，第四二极管的负极与第二电压跟随器的同相输入端连接，第二电压跟随器的同相输入端还通过第二电容接地，第二放电电阻与第二电容并联，第二电压跟随器的反相输入端与输出端连接，第二电压跟随器的输出端与比较单元连接。

较佳地，所述比较单元包括比较电阻、第四反馈电阻、第一分压电阻、第二分压电阻和比较放大器，比较放大器的同相输入端依次通过第一分压电阻和第二分压电阻接地，最小峰值检测单元的第二电压跟随器的输出端连接在第一分压电阻和第二分压电阻之间，比较放大器的反相输入端通过比较电阻与最大峰值检测单元的第一电压跟随器的输出端连接，比较放大器的输出端通过第四反馈电阻与第一电压跟随器的输出端连接。

相应地，本发明还提供一种减小原子频标的微波功率频移的方法，包括：（1）产生微波探询信号作用于物理系统，使物理系统输出光检测信号，并产生同步鉴相参考信号；（2）根据同步鉴相参考信号，对物理系统输出的光检测信号进行同步鉴相得到纠偏电压；（3）将物理系统输出的光检测信号转换为光检测电压信号；（4）检测所述光检测电压信号的最大峰值和最小峰值，计算最大峰值和最小峰值的差值得到直流电压；（5）放大所述直流电压和经过同步鉴相得到的纠偏电压，并计算放大后两者的差值得到量子纠偏信号作用于压控晶体振荡器。

与现有技术相比，本发明通过获取光检测信号的最大峰值和最小峰值的差值，并将同步鉴相后得到的纠偏电压和所述差值之差作为量子纠偏信号作用于压控晶体振荡器，当光检测信号因微波功率的增大而增大时，作用于压控晶体振荡器的量子纠偏信号却随之减小，从而使得压控晶体振荡器的输出频率降低，因而，减小了微波功率频移即减小了微波功率对压控晶体振荡器的影响，进而，增加了原子频标的频率稳定度。

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为本发明减小原子频标的微波功率频移的装置的结构框图。

图2为采用本发明减小原子频标的微波功率频移的装置的铷原子频标的结构示意图。

图3为图1所示光检信号反馈模块的电路图。

图4为图3所示光检信号反馈模块检测得到的最大峰值和最小峰值的波形图。

图5为本发明减小原子频标的微波功率频移的方法的流程图。

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2所示，使用本发明减小原子频标的微波功率频移的铷原子频标包括：本发明减小原子频标的微波功率频移的装置、物理系统20、微波探询信号产生模块30和压控晶体振荡器40。其中，如图1所示，本发明减小原子频标的微波功率频移的装置包括同步鉴相模块10、电压采样模块11、光检信号反馈模块12和差分放大模块13。微波探询信号产生模块30用于产生微波探询信号作用于物理系统20，使物理系统20输出光检测信号I，并产生同步鉴相参考信号f0。同步鉴相模块10用于根据同步鉴相参考信号f0，对物理系统20输出的光检测信号I进行同步鉴相得到纠偏电压V0。电压采样模块11用于将物理系统20输出的光检测信号I转换为光检测电压信号Vi。光检信号反馈模块12用于检测电压采样模块11发送的光检测电压信号Vi的最大峰值V11和最小峰值V12，计算最大峰值V11和最小峰值V12的差值V12-V11，放大所述差值V12-V11得到直流电压V1。差分放大模块13用于放大光检信号反馈模块12发送的直流电压V1和同步鉴相模块10发送的纠偏电压V0，计算放大后两者的差值K0V0-K1V1得到量子纠偏信号f1=K0V0-K1V1，并将量子纠偏信号f1作用于压控晶体振荡器40。

值得注意的是，K0、K1大小的设置遵循的原则是：在量子纠偏信号f1=K0V0-K1V1作用于压控晶体振荡器40时，要保证压控晶体振荡器40的输出频偏落入物理系统20的线宽范围内，否则整个原子频标将会出现脱锁现象。物理系统20的线宽为1K赫兹。

具体地，所述光检信号反馈模块12包括：最大峰值检测单元111、最小峰值检测单元112和比较单元113。最大峰值检测单元111用于检测电压采样模块11发送的光检测电压信号Vi的最大峰值V11。最小峰值检测单元112用于检测电压采样模块11发送的光检测电压信号Vi的最小峰值V12。比较单元113用于计算最大峰值V11和最小峰值V12的差值V12-V11，并放大所述差值V12-V11得到直流电压V1。

详细地，参考图3，所述最大峰值检测单元111包括第一比较器A1、第一二极管D11、第二二极管D12、第一反馈电阻Rf1、第一电容C1、第一放电电阻R1和第一电压跟随器A4。第一比较器A1的同相输入端与电压采样模块11的输出端连接，第一比较器A1的反相输入端通过第一反馈电阻Rf1与第一电压跟随器A4的输出端连接，第一比较器A1的输出端与第一二极管D11的负极和第二二极管D12的正极连接。第一二极管D11的正极连接在第一比较器A1的反相输入端和第一反馈电阻Rf1之间。第二二极管D12的负极与第一电压跟随器A4的同相输入端连接。第一电压跟随器A4的同相输入端还通过第一电容C1接地，第一放电电阻R1与第一电容C1并联，第一电压跟随器A4的反相输入端与输出端连接，第一电压跟随器A4的输出端与比较单元113连接。

所述最小峰值检测单元112包括反相器A3、第二比较器A2、第三二极管D21、第四二极管D22、第二反馈电阻Rf2、第二电容C2、第二放电电阻R2和第二电压跟随器A5。反相器A3的同相输入端通过接地电阻R4接地，反相器A3的反相输入端通过第一连接电阻R3接收负幅度直流电平Vref且通过第二连接电阻R6与电压采样模块11的输出端连接，反相器A3的输出端通过第三反馈电阻R5与反相输入端连接。第二比较器A2的反相输入端通过第二反馈电阻Rf2与第二电压跟随器A5的输出端连接，第二比较器A2的输出端与第三二极管D21的负极和第四二极管D22的正极连接。第三二极管D21的正极连接在第二比较器A2的反相输入端和第二反馈电阻Rf2之间，第四二极管D22的负极与第二电压跟随器A5的同相输入端连接，第二电压跟随器A5的同相输入端还通过第二电容C2接地，第二放电电阻R2与第二电容C2并联，第二电压跟随器A5的反相输入端与输出端连接，第二电压跟随器A5的输出端与比较单元113连接。其中，第一连接电阻R3、第二连接电阻R6和第三反馈电阻R5阻值相同，接地电阻R4的阻值为第一连接电阻R3阻值的1/2。

所述比较单元113包括比较电阻Rx2、第四反馈电阻Ry2、第一分压电阻Rx1、第二分压电阻Ry1和比较放大器A6。比较放大器A6的同相输入端依次通过第一分压电阻Rx1和第二分压电阻Ry1接地，最小峰值检测单元112的第二电压跟随器A5的输出端连接在第一分压电阻Rx1和第二分压电阻Ry1之间。比较放大器A6的反相输入端通过比较电阻Rx2与最大峰值检测单元111的第一电压跟随器A4的输出端连接，比较放大器A6的输出端通过第四反馈电阻Ry2与第一电压跟随器A4的输出端连接。其中，比较电阻Rx2和第一分压电阻Rx1的阻值相同，第四反馈电阻Ry2和第二分压电阻Ry1的阻值相同。

比较放大器A6输出的直流电压V1=（Ry1/Rx1）*（V12-V11）。通过调节第一分压电阻Rx1和第二分压电阻Ry1的比值，可调节比较放大器A6输出直流电压V1的大小。

具体地，第一电容C1和第一放电电阻R1的放电时间常数和第二电容C2和第二放电电阻R2的放电时间常数均根据实际的光检测信号I的周期来设定，比如，光检测信号I的频率为79Hz，则放电时间常数取1S即可。

如图4所示，为光检信号反馈模块检测得到的最大峰值V11和最小峰值V12的波形图。由图可知，光检测电压信号Vi即图中的信号1的峰值和谷值均为正，在峰值检测时，先用反相器A3对信号1反相得到图4中的信号2，然后再叠加一个负幅度直流电平Vref，最终完成光检测电压信号Vi高、低电平的转换得到图4中3所示的信号输出。

图5为本发明的减小原子频标的微波功率频移的方法的流程图。本发明减小原子频标的微波功率频移的方法包括如下步骤:

步骤S1，产生微波探询信号作用于物理系统20，使物理系统20输出光检测信号I，并产生同步鉴相参考信号f0；

步骤S2，根据同步鉴相参考信号f0，对物理系统20输出的光检测信号I进行同步鉴相得到纠偏电压V0；

步骤S3，将物理系统20输出的光检测信号I转换为光检测电压信号Vi；

步骤S4，检测所述光检测电压信号Vi的最大峰值V11和最小峰值V12，计算最大峰值V11和最小峰值V12的差值V12-V11，并放大所述差值V12-V11得到直流电压V1；

步骤S5，放大所述直流电压V1和经过同步鉴相得到的纠偏电压V0，并计算放大后两者的差值K0V0-K1V1得到量子纠偏信号f1=K0V0-K1V1作用于压控晶体振荡器40。

结合图1-5详细说明一下本发明的工作原理。物理系统输出的光检测信号I经过电压采样模块11转换为光检测电压信号Vi，该光检测电压信号Vi经过光检测信号反馈模块11检测出最大值V11和最小值V12。具体地，最大峰值检测单元111完成该光检测电压信号Vi的最大值检测，当光检测电压信号Vi大于第一电容C1电压时，第一比较器A1输出高电平，第一二极管D11不导通，第二二极管D12导通，充电电流经过第二二极管D12对第一电容C1进行充电；当光检测电压信号Vi小于第一电容C1电压时，第一比较器A1输出低电平，第二二极管D12不导通，由于第一电压跟随器A4输出电压与第一电容C1的电压相同，第一二极管D11不导通，第一电容C1不能通过第一二极管D11和第二二极管D12放电，电压得到保护，从而第一电容C1与第一电压跟随器A4输出电压记录了光检测电压信号Vi的最大峰值。最小峰值检测单元112完成该光检测电压信号Vi的最小值检测，其具体原理同最大值检测相同，不同在于在最小值检测初始时光检测电压信号Vi先经过反相器A3进行反相处理。检测得到最大峰值V11和最小峰值V12后，最大峰值V11和最小峰值V12分别送入比较放大器A6，通过调节Ry1与Rx1的比值，输出直流电压V1=（V12-V11）*(Ry1/Rx1)。输出直流电压V1与光检测信号I幅度成正比，将直流电压V1和同步鉴相后得到的纠偏电压V0送入差分放大模块13后得到量子纠偏信号f1=K0V0-K1V1，并将量子纠偏信号f1作用于压控晶体振荡器40。

由上可知，由于光检测信号I的变化与微波功率的变化成正比，因而，当微波功率变大时，光检测信号I也会随之变大，则经过光检信号反馈模块12检测输出的直流电压V1也变大，从而使得量子纠偏信号f1=K0V0-K1V1变小，这样，输出至压控晶体振荡器40的压控电压减小，从而使得压控晶体振荡器40输出频率降低，就相当于产生一个负的频偏来补偿由于微波功率的变大而导致的原子频标输出的整机频率升高的正频偏，最终实现克服微波功率频移的影响，增加了原子频标的频率稳定度。

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 (6)

1.一种减小原子频标的微波功率频移的装置，包括：

微波探询信号产生模块，用于产生微波探询信号作用于物理系统，使物理系统输出光检测信号，并产生同步鉴相参考信号；

同步鉴相模块，用于根据同步鉴相参考信号，对物理系统输出的光检测信号进行同步鉴相得到纠偏电压；

电压采样模块，用于将物理系统输出的光检测信号转换为光检测电压信号；

其特征在于，还包括：

光检信号反馈模块，用于检测电压采样模块发送的光检测电压信号的最大峰值和最小峰值，计算最大峰值和最小峰值的差值，并放大所述差值得到直流电压；以及

差分放大模块，用于放大光检信号反馈模块发送的直流电压和同步鉴相模块发送的纠偏电压，计算放大后两者的差值得到量子纠偏信号，并将量子纠偏信号作用于压控晶体振荡器。

2.如权利要求1所述的减小原子频标的微波功率频移的装置，其特征在于，所述光检信号反馈模块包括：

最大峰值检测单元，用于检测电压采样模块发送的电压信号的最大峰值；

最小峰值检测单元，用于检测电压采样模块发送的电压信号的最小峰值；

比较单元，用于计算最大峰值和最小峰值的差值，放大所述差值得到直流电压。

3.如权利要求2所述的减小原子频标的微波功率频移的装置，其特征在于，所述最大峰值检测单元包括第一比较器、第一二极管、第二二极管、第一反馈电阻、第一电容、第一放电电阻和第一电压跟随器，第一比较器的同相输入端与电压采样模块的输出端连接，第一比较器的反相输入端通过第一反馈电阻与第一电压跟随器的输出端连接，第一比较器的输出端与第一二极管的负极和第二二极管的正极连接，第一二极管的正极连接在第一比较器的反相输入端和第一反馈电阻之间，第二二极管的负极与第一电压跟随器的同相输入端连接，第一电压跟随器的同相输入端还通过第一电容接地，第一放电电阻与第一电容并联，第一电压跟随器的反相输入端与输出端连接，第一电压跟随器的输出端与比较单元连接。

4.如权利要求3所述的减小原子频标的微波功率频移的装置，其特征在于，所述最小峰值检测单元包括反相器、第二比较器、第三二极管、第四二极管、第二反馈电阻、第二电容、第二放电电阻和第二电压跟随器，反相器的同相输入端通过接地电阻接地，反相器的反相输入端通过第一连接电阻接收负幅度直流电平且通过第二连接电阻与电压采样模块的输出端连接，反相器的输出端通过第三反馈电阻与反相输入端连接，第二比较器的反相输入端通过第二反馈电阻与第二电压跟随器的输出端连接，第二比较器的输出端与第三二极管的负极和第四二极管的正极连接，第三二极管的正极连接在第二比较器的反相输入端和第二反馈电阻之间，第四二极管的负极与第二电压跟随器的同相输入端连接，第二电压跟随器的同相输入端还通过第二电容接地，第二放电电阻与第二电容并联，第二电压跟随器的反相输入端与输出端连接，第二电压跟随器的输出端与比较单元连接。

5.如权利要求4所述的减小原子频标的微波功率频移的装置，其特征在于，所述比较单元包括比较电阻、第四反馈电阻、第一分压电阻、第二分压电阻和比较放大器，比较放大器的同相输入端依次通过第一分压电阻和第二分压电阻接地，最小峰值检测单元的第二电压跟随器的输出端连接在第一分压电阻和第二分压电阻之间，比较放大器的反相输入端通过比较电阻与最大峰值检测单元的第一电压跟随器的输出端连接，比较放大器的输出端通过第四反馈电阻与第一电压跟随器的输出端连接。

6.一种减小原子频标的微波功率频移的方法，包括：

（1）产生微波探询信号作用于物理系统，使物理系统输出光检测信号，并产生同步鉴相参考信号；

（2）根据同步鉴相参考信号，对物理系统输出的光检测信号进行同步鉴相得到纠偏电压；

（3）将物理系统输出的光检测信号转换为光检测电压信号；

（4）检测所述光检测电压信号的最大峰值和最小峰值，计算最大峰值和最小峰值的差值得到直流电压；

（5）放大所述直流电压和经过同步鉴相得到的纠偏电压，并计算放大后两者的差值得到量子纠偏信号作用于压控晶体振荡器。

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