CN102811056A

CN102811056A - 一种铷原子频标的信噪比评估装置和方法

Info

Publication number: CN102811056A
Application number: CN2012102502037A
Authority: CN
Inventors: 雷海东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2012-07-19
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2032-07-19
Also published as: CN102811056B

Abstract

本发明公开了一种铷原子频标的信噪比评估装置和方法，属于原子频标领域。所述装置包括：第一模数采样单元、第二模数采样单元和主控单元。所述方法包括：根据所述鉴频信号与所述第一扫频电压的电压点的对应关系，绘制吸收曲线；根据所述压控信号与所述第二扫频电压的电压点的对应关系，绘制鉴频曲线；根据所述吸收曲线计算吸收因子；根据所述鉴频曲线计算线宽；获取预设的调制深度；采用所述吸收因子、所述线宽和所述调制深度计算所述铷原子频标的信噪比。通过本发明，提高了铷原子频标信噪比的准确度。

Description

一种铷原子频标的信噪比评估装置和方法

技术领域

本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种铷原子频标的信噪比评估装置和方法。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人们对标准时钟源的需求越来越多。由于结构简单、体积功耗小和成本低等优点，铷原子频标在时钟源领域得到了广泛的应用。

其中，铷原子频标的信噪比是铷原子频标重要的性能指标，决定了铷原子频标输出频率的稳定性。为了改善铷原子频标输出频率的稳定性，需对铷原子频标的信噪比进行评估。现有信噪比评估方法为，在铷原子频标系统外接扫频仪、记录仪和数据处理装置。具体地，运行铷原子频标整机，并改变扫频仪的输出频率；然后通过记录仪同步记录伺服环路输出的量子纠偏电压；最后将扫频仪的输出频率和量子纠偏电压存储至数据处理装置中，数据处理装置根据输出频率与量子纠偏电压的一一对应关系，得到铷原子频标的鉴频曲线；并根据鉴频曲线相应点的坐标计算出铷原子频标的信噪比。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

通过外接扫频仪、记录仪和数据处理装置来测量铷原子频标的信噪比，一方面，测量信噪比时需要安装上述仪器，使得测量流程过于复杂；同时，现有的铷原子频标的各个功能模块往往是集成在一起的，额外安装其他设备比较困难，需要重新设计电路；另一方面，现有技术仅根据量子纠偏电压来计信噪比，其中信噪比公式中所需参数之一吸收因子为一个预估值，导致计算出的铷原子频标的信噪比不够准确。

发明内容

为了简化信噪比评估的流程，并提高铷原子频标的信噪比评估的准确度，本发明实施例提供了一种铷原子频标的信噪比评估装置和方法。所述技术方案如下：

一种铷原子频标的信噪比评估装置，所述铷原子频标包括压控晶体振荡器、综合器、伺服环路、微波倍混频电路和物理系统，所述装置包括：

第一模数采样单元，用于采集所述物理系统在未经调制的微波探询信号作用下输出的鉴频信号；所述未经调制的微波探询信号由所述压控晶体振荡器的输出信号和所述综合器输出的单频信号两者经所述微波倍混频电路处理后产生；

第二模数采样单元，用于采集所述物理系统在调制后的微波探询信号作用下输出的鉴频信号经所述伺服环路锁相后的压控信号；所述调制后的微波探询信号由所述压控晶体振荡器的输出信号和所述综合器输出的键控调频信号两者经所述微波倍混频电路处理后产生；

主控单元，用于输出第一扫频电压和第二扫频电压至所述压控晶体振荡器，以使所述压控晶体振荡器输出频率变化的信号；并根据所述鉴频信号和所述第一扫频电压的电压点的对应关系、以及所述压控信号和所述第二扫频电压的电压点的对应关系，计算所述铷原子频标的信噪比。

进一步地，所述主控单元还用于：

输出频移键控信号至所述综合器，控制所述综合器产生键控调频信号对所述微波探询信号进行调制，以得到所述调制后的微波探询信号；

控制所述综合器产生单频信号至所述微波倍混频，以得到所述未经调制的微波探询信号；及

输出与所述频移键控信号同频且有固定相位差的同步信号至所述伺服环路，使所述伺服环路对所述鉴频信号进行锁相，得到所述压控信号。

一种铷原子频标的信噪比评估方法，所述铷原子频标包括压控晶体振荡器、综合器、伺服环路、微波倍混频电路和物理系统，所述方法包括：

输出第一扫频电压至所述压控晶体振荡器，以使所述压控晶体振荡器输出频率变化的信号；并采集所述物理系统在未经调制的微波探询信号作用下输出的鉴频信号；所述未经调制的微波探询信号由所述压控晶体振荡器的输出信号和所述综合器输出的单频信号两者经所述微波倍混频电路处理后产生；

输出第二扫频电压至所述压控晶体振荡器，以使所述压控晶体振荡器输出频率变化的信号；并采集所述物理系统在调制后的微波探询信号作用下输出的鉴频信号经所述伺服环路锁相后得到的压控信号；所述调制后的微波探询信号由所述压控晶体振荡器的输出信号和所述综合器输出的键控调频信号两者经所述微波倍混频电路处理后产生；

根据所述鉴频信号和所述第一扫频电压的电压点的对应关系、以及所述压控信号和所述第二扫频电压的电压点的对应关系，计算所述铷原子频标的信噪比。

其中，所述根据所述鉴频信号和所述第一扫频电压的电压点的对应关系、以及所述压控信号和所述第二扫频电压的电压点的对应关系，计算所述铷原子频标的信噪比，包括：

根据所述鉴频信号与所述第一扫频电压的电压点的对应关系，绘制吸收曲线；

根据所述压控信号与所述第二扫频电压的电压点的对应关系，绘制鉴频曲线；

根据所述吸收曲线计算吸收因子；

根据所述鉴频曲线计算线宽；

获取预设的调制深度；

采用所述吸收因子、所述线宽和所述调制深度计算所述铷原子频标的信噪比。

具体地，所述吸收因子根据以下公式计算：

α = \frac{ΔI}{I_{0}}

其中，α为所述吸收因子，I₀为所述鉴频信号的最大值，ΔI为所述I₀与所述鉴频信号的最小值之间的差值。

具体地，所述线宽根据以下公式计算：

Δv = \sqrt{3} δv

其中，Δv为所述线宽，δv为所述压控信号的最大值对应的第二扫频信号与所述压控信号的最小值对应的第二扫频信号之间的差值。

具体地，所述铷原子频标的信噪比根据以下公式计算：

{(\frac{S}{N})}^{2} = \frac{{i_{0}}^{2} / 2}{2 e I_{0}} = \frac{3^{3} α^{2} ϵ^{2} I_{0}}{2^{6} eΔ v^{2}}

其中，

为所述铷原子频标的信噪比，ε为所述预设的调制深度的二分之一、α为所述吸收因子、Δv为所述线宽、e为电荷、I₀为所述鉴频信号的最大值。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过第一模数采样单元，用于采集所述物理系统在未经调制的微波探询信号作用下输出的鉴频信号；第二模数采样单元，用于采集所述物理系统在调制后的微波探询信号作用下输出的鉴频信号经所述伺服环路锁相后的压控信号；主控单元，用于输出第一扫频电压和第二扫频电压至所述压控晶体振荡器，以使所述压控晶体振荡器输出频率变化的信号；并根据所述鉴频信号和所述第一扫频电压的电压点的对应关系、以及所述压控信号和所述第二扫频电压的电压点的对应关系，计算所述铷原子频标的信噪比；使得利用铷原子频标本来的电子线路完成信噪比的评估，简化了信噪比评估流程，节约了资源；并且，分别利用所述鉴频信号和所述第一扫频电压的电压点的对应关系和所述压控信号和所述第二扫频电压的电压点的对应关系两者计算信噪比，提高了铷原子频标的信噪比的准确度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例中提供的铷原子频标的结构示意图；

图2是本发明实施例1中提供的一种铷原子频标的信噪比评估装置的结构示意图；

图3是本发明实施例2中提供的一种铷原子频标的信噪比评估装置的结构示意图；

图4是本发明实施例2中提供的铷原子频标的物理系统的结构示意图；

图5是本发明实施例2中提供的绘制的吸收曲线的示意图；

图6是本发明实施例2中提供的绘制的鉴频曲线的示意图；

图7是本发明实施例3中提供的一种铷原子频标的信噪比评估方法的流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

为便于对本发明实施例中所述装置和方法的理解，首先对铷原子频标的构成进行介绍。参见图1，铷原子频标包括压控晶体振荡器1、隔离放大器6、综合器2、伺服环路3、微波倍混频4、物理系统5。压控晶体振荡器1的输出信号经综合器2的综合作用，再经微波倍混频4倍频混频后得到一个微波探询信号。物理系统5对微波探询信号进行鉴频，通过物理系统5中光电池得到鉴频信号。鉴频信号经伺服环路3的锁相处理后得到对压控晶体振荡器1进行压控的纠偏电压，从而将压控晶体振荡器1输出频率锁定到原子共振吸收线的峰点上。基于此，本发明实施例中提供了一种铷原子频标的信噪比评估装置和方法，描述如下。

实施例1

参见图2，本发明实施例1提供了一种铷原子频标的信噪比评估装置，该装置具体包括：第一模数采样单元101、第二模数采样单元102和主控单元103。

其中，第一模数采样单元101，用于采集物理系统5在未经调制的微波探询信号作用下输出的鉴频信号。

其中，第二模数采样单元102，用于采集物理系统5在调制后的微波探询信号作用下输出的鉴频信号经伺服环路3锁相后的压控信号。

其中，主控单元103，用于输出第一扫频电压和第二扫频电压至压控晶体振荡器1，以使压控晶体振荡器1输出变化的频率；并根据鉴频信号和第一扫频电压的电压点的对应关系、以及压控信号和第二扫频电压的电压点的对应关系，计算铷原子频标的信噪比。

具体地，该未经调制的微波探询信号由压控晶体振荡器1的输出信号和综合器2输出的单频信号两者经微波倍混频电路4处理后产生；该调制后的微波探询信号由压控晶体振荡器1的输出信号和综合器2输出的键控调频信号两者经微波倍混频电路4处理后产生。

实施例2

参见图3，本发明实施例2提供了一种铷原子频标的信噪比评估装置，该装置包括第一模数采样单元201、第二模数采样单元202和主控单元203。

其中，第一模数采样单元201分别与物理系统5和主控单元203连接，用于采集物理系统5在未经调制的微波探询信号作用下输出的鉴频信号。该未经调制的微波探询信号由压控晶体振荡器1的输出信号和综合器2输出的单频信号两者经微波倍混频电路4处理后产生。

其中，第二模数采样单元202分别与伺服环路3和主控单元203连接，用于采集物理系统5在调制后的微波探询信号作用下输出的鉴频信号经伺服环路3锁相后的压控信号。该调制后的微波探询信号由压控晶体振荡器1的输出信号和综合器2输出的键控调频信号两者经微波倍混频电路4处理后产生。

其中，主控单元203分别与第一模数采样单元201、第二模数采样单元202、压控晶体振荡器1、综合器3和伺服环路4连接，用于输出第一扫频电压和第二扫频电压至压控晶体振荡器1；以使压控晶体振荡器1输出变化的频率；并根据鉴频信号和第一扫频电压的电压点的对应关系、以及压控信号和第二扫频电压的电压点的对应关系，计算铷原子频标的信噪比。具体地，主控单元203可以采用铷原子频标中的微处理器。

一般地，参见图4，物理系统5包括光谱灯5a、透镜5b、集成滤光共振系统5c和光电检测电路。光电检测电路包括光电池5d、输入电路5e和前置放大器5f。光谱灯5a发射的抽运光经过透镜5b后进入到集成滤光共振系统5c中完成量子鉴频，鉴频后的信号反馈到两块光电池5d上，光电池5d通过输入电路5e进行光电转换后再将电信号输送至前置放大器5f。其中，光谱灯5a中充有铷元素和启辉气体，集成滤光共振系统5c中充有铷同位素和惰性气体。另外，图4中粗箭头方向表示磁场和微波探询信号输入方向；加入磁场是为了原子分裂和“量子化轴”；加入微波探询信号是为了共振跃迁。具体地，第一模数采样单元201分别与物理系统5中前置放大器5f和主控单元203连接。

进一步地，主控单元203还用于，输出FSK（Frequency-Shift Keying，频移键控）信号至综合器2，控制综合器2产生带键控调频的调制频率信号对微波探询信号进行调制，以得到调制后的微波探询信号；及，控制综合器2产生单频信号至微波倍混频4，以得到未经调制的微波探询信号。

进一步地，主控单元203还用于，输出与FSK信号同频且有固定相位差的同步信号至伺服环路3，使伺服环路3对鉴频信号进行锁相，得到压控信号。

具体地，铷原子频标的信噪比评估装置的工作过程包括吸收曲线的绘制、鉴频曲线的绘制、以及信噪比的计算，下面将分别进行描述：

A，吸收曲线的绘制。

其中，主控单元203通过D/A扫频，输出扫频电压至压控晶体振荡器1，该扫频电压使压控晶体振荡器1输出频率变化的信号；同时，主控单元203关闭FSK信号使能（不输出FSK信号至综合器3中DDS），使综合器2中DDS输出单频的频率信号。该单频的频率信号经微波倍混频4作用产生未经调制的微波探询信号送至物理系统5，物理系统5完成量子鉴频后经前置放大器5f放大后送至第一模数采样单元201。第一模数采样单元201完成鉴频信号的采集，并将鉴频信号返回主控单元203。主控单元203根据扫频电压和鉴频信号的对应关系，绘制铷原子的吸收曲线。参见图5，绘制的吸收曲线中，X轴为主控单元203记录的扫频电压的相应的电压值；Y轴为第一模数采样单元201采集的鉴频信号的电流值，这两者是一一对应的关系。

B，鉴频曲线的绘制。

其中，主控单元203通过D/A扫频，输出扫频电压至压控晶体振荡器1；同时，主控单元203打开FSK信号使能，输出FSK信号至综合器2中DDS，使DDS输出带键控调频的调制频率信号。进一步地，主控单元203还输出与FSK信号同频且有固定相位差（如：相差40°）的同步信号至伺服环路3，使伺服环路3对鉴频信号进行锁相。该带键控调频的调制频率信号经微波倍混频4作用产生调制后的微波探询信号送至物理系统5，物理系统5完成量子鉴频后经前置放大器5f放大后送至伺服环路3。伺服环路3完成锁相放大后输出压控信号至第二模数采样单元202。第二模数采样单元202完成压控信号的采集，并将压控信号返回主控单元203。主控单元203根据扫频电压和压控信号的对应关系，绘制铷原子的鉴频曲线。参见图6，绘制的鉴频曲线中，X轴为主控单元203记录的扫频电压的相应的电压值；Y轴为第二模数采样单元202采集的压控信号的电压值，这两者是一一对应的关系。

C，信噪比的计算。

其中，主控单元203完成吸收曲线和鉴频曲线的绘制后，根据现有的计算方法，对铷原子频标的信噪比进行计算。

值得说明的是，因为电压的采集是从前放板输出的，在设计前置放大电路时，有一定的增益和直流本底电平，在计算时需要扣除这些。同时，为提高整个系统信噪比评估的精度，需要尽可能采集多点，如对应于线宽=800Hz和原子频标系统，主控单元203按照压控晶体振荡器1的压控斜率及其他辅助电路选择每一次D/A输出电压使整个系统的频率改变1Hz。

另外，在使用铷原子频标的信噪比评估装置对铷原子频标进行测试评估时，还应考虑物理系统5中光电池带来的噪声影响。第一，为了减小光电池带来的闪烁噪声的影响，在实际工作中要选择稍微高一点的调制频率，如可以选择调制频率为87Hz。第二，为了减小散弹噪声和热噪声的影响，要选择适当的光谱灯光强，增大透射光检测器的受光面（选择两块光电池），并选择恰当的泡温（如可以选择700C），灯温（如可以选择1210C）。另外，对于一个铷原子频标，在其光电池噪声一定条件下，它的信噪比还与调制深度密切相关，适当选择微波探测信号的调制深度（如可以选择300Hz）。

实施例3

参见图7，本发明实施例3提供了一种铷原子频标的信噪比评估方法，该方法具体包括：

301：输出第一扫频电压至压控晶体振荡器，以使压控晶体振荡器输出频率变化的信号；并采集物理系统在未经调制的微波探询信号作用下输出的鉴频信号。

其中，该未经调制的微波探询信号由压控晶体振荡器的输出信号和综合器输出的单频信号两者经微波倍混频电路处理后产生。

其中，第一扫频电压与鉴频信号成一一对应关系。

302：输出第二扫频电压至压控晶体振荡器，以使压控晶体振荡器输出频率变化的信号；并采集物理系统在调制后的微波探询信号作用下输出的鉴频信号经伺服环路锁相后得到的压控信号。

其中，该调制后的微波探询信号由压控晶体振荡器的输出信号和综合器输出的键控调频信号两者经微波倍混频电路处理后产生。

其中，第二扫频电压与压控信号成一一对应关系。

303：根据鉴频信号和第一扫频电压的电压点的对应关系、以及压控信号和第二扫频电压的电压点的对应关系，计算铷原子频标的信噪比。

进一步地，本步骤具体包括：

3031：根据鉴频信号与第一扫频电压的一一对应关系，绘制吸收曲线。

具体地，绘制吸收曲线的具体过程参见本发明实施例2，在此不再详述。

3032：根据压控信号与第二扫频电压的一一对应关系，绘制鉴频曲线。

具体地，绘制鉴频曲线的具体过程参见本发明实施例2，在此不再详述。

3033：根据吸收曲线计算出吸收因子；根据鉴频曲线计算出线宽；获取预设的调制深度。

具体地，假设吸收因子为α，线宽为δv，调制深度为2ε。首先，根据吸收曲线及公式，计算出吸收因子。计算吸收因子的公式如下，

α = \frac{ΔI}{I_{0}}

参见图5，I₀为采集的鉴频信号（光强电流值）的最大值；ΔI为I₀与鉴频信号的最小值之间的差值。

然后，根据鉴频曲线及公式

计算出线宽。参见图6，δv为采集的压控信号的最大值对应的第二扫频信号与压控信号的最小值对应的第二扫频信号之间的差值。

最后，获取预先设置的调制深度2ε。通常，调制深度的大小应该小于铷原子自然线宽的大小。

3034：采用吸收因子、线宽和调制深度计算铷原子频标的信噪比。

将计算出的ε、α、Δv和常量e代入信噪比公式计算信噪比

具体地，e为电荷，是一个常量。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种铷原子频标的信噪比评估装置，所述铷原子频标包括压控晶体振荡器、综合器、伺服环路、微波倍混频电路和物理系统，其特征在于，所述装置包括：

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述主控单元还用于：

3.一种铷原子频标的信噪比评估方法，所述铷原子频标包括压控晶体振荡器、综合器、伺服环路、微波倍混频电路和物理系统，其特征在于，所述方法包括：

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据所述鉴频信号和所述第一扫频电压的电压点的对应关系、以及所述压控信号和所述第二扫频电压的电压点的对应关系，计算所述铷原子频标的信噪比，包括：

根据所述吸收曲线计算吸收因子；

根据所述鉴频曲线计算线宽；

获取预设的调制深度；

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述吸收因子根据以下公式计算：

α = \frac{ΔI}{I_{0}}

6.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述线宽根据以下公式计算：

Δv = \sqrt{3} δv

7.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铷原子频标的信噪比根据以下公式计算：

{(\frac{S}{N})}^{2} = \frac{{i_{0}}^{2} / 2}{2 e I_{0}} = \frac{3^{3} α^{2} ϵ^{2} I_{0}}{2^{6} eΔ v^{2}}

其中，为所述铷原子频标的信噪比，ε为所述预设的调制深度的二分之一、α为所述吸收因子、Δv为所述线宽、e为电荷、I₀为所述鉴频信号的最大值。