CN103823356A - 基于pxi系统的被动型cpt原子钟实验装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，PXI系统分别与转接电路、电流源、微波源、电流转电压电路、晶振和频率测试仪相连，晶振和功率分配器相连，功率分配器两路输出端一路与微波源相连，另一路与频率测试仪相连，耦合电路分别与PXI系统、电流源和微波源相连，物理系统分别与耦合电路输出端和电流转电压电路输入端相连，物理系统还与转接电路相连，还公开了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，PXI系统作为控制核心实现温度的控制、直流的锁定及反馈、微波的锁定及反馈和工作参数的自整定。本发明结构简易，自动化程度高，数字信号处理能力强，适合对被动型CPT原子钟的各种方案进行实验研究。

Description

基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置及方法

技术领域

本发明涉及原子钟领域，具体涉及基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，还涉及基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，适用于对被动型CPT原子钟的工作参数和不同物理方案进行实验研究。

背景技术

被动型相干布居囚禁（CPT）原子钟的物理机理为，碱金属原子基态的两个超精细能级与一个激发态能级形成三能级结构，两束相干双色光与其相互作用，当两激光频率的差值精确等于原子基态两超精细能级差对应的频率时，量子跃迁之间的互相干涉使得原子处于两基态的相干叠加态上，称为CPT态。处于CPT态的原子不再吸收光子，此时，探测透射光，可看到透射光强的增加，这就是EIT现象。被动型CPT原子钟正是利用这一现象实现对微波的鉴频以达到稳定频率的目的。其中相干双色光通过微波调制VCSEL电流产生。被动型CPT原子钟由于采用VCSEL作为光源，利用微波调制VCSEL电流实现多色光与碱金属原子相互作用，不需要微波腔就能获得微波鉴频信号，因此在功耗和体积上相对传统原子钟有潜在优势，在精密测量、卫星导航与定位、高速通信网和深海探测等领域有广泛应用前景。

用作产品的被动型CPT原子钟主要由物理系统和伺服电路系统组成。物理系统的主要功能是通过CPT共振信号对输入物理系统的微波进行鉴频，并输出反映微波频率偏移量的信号，为此需要将微波的载波，即激光频率，锁定在原子两超精细能级跃迁谱线上。伺服电路系统的主要功能是实现激光频率和微波频率的扫描，并将激光频率锁定在原子单光子跃迁谱线上，将微波频率锁定在原子基态两超精细能级的频率差。此外，伺服电路系统需要对物理系统中VCSEL和原子蒸汽泡进行温度控制并调节原子所处的磁场环境。

被动型CPT原子钟频率稳定度很大程度上取决于物理系统的性能，深入研究物理系统的特性对改善原子钟的频率稳定度至关重要。利用自行研制的伺服电路系统对物理系统进行研究时，存在输入VCSEL电流的信噪比和分辨率不够高，调制电流的微波的相位噪声和杂散不够好，模数转换器的采样率和分辨率不能同时兼顾，微控制器信号处理能力有限等问题。使用常规的电子学仪器进行研究时，例如通过锁相放大器进行信号解调，通过温控仪进行温度控制，由于各个仪器独立工作，没有控制中心，因此，对电流源和微波源等仪器需要手动控制，实验中各个工作环节都需人工干预，导致测试精度不高且不方便操作。此外，研究物理系统特性时，需要知道原子蒸汽泡所处环境温度、微波频率调制信号的调制深度和微波反馈频率对EIT信号对比度和频移的影响，以及最合适的解调信号相位和反馈PID参数，现行的实验方法对参数的寻优需要人为调节，且不能对中间数据进行实时监测、存储和分析，自动化程度低。

在对被动型CPT原子钟的不同物理方案进行实验研究时，例如要进行Ramsey-CPT原子钟的研究，对数据采集的采样率、分辨率，数字信号处理的速度，时序的同步有很高的要求，自行研制的伺服电路系统和常规的电子学仪器很难满足要求，而且扩展性和可移植性差，无法对相同条件下的不同物理方案进行比较研究。

发明内容

本发明的目的在于提供了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置。该装置以PXI系统为核心，结合了自行研制的电路和电子学仪器的优点，拥有更强的数字信号处理能力，采用模块化的方式构建，通过各种总线接口对电子学仪器进行控制，具有很好的扩展性和可移植性，适合作为被动型CPT原子钟的研究平台。

本发明的另一目的在于提供了基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法。

该方法能够对被动型CPT原子钟中间数据进行实时监测、存储和分析，用于研究物理系统特性时，能够实现工作参数的自动寻优，用于研究不同物理方案的被动型CPT原子钟时，能够兼顾采样率和分辨率采集模拟信号并对信号进行高速处理。

为了实现上述目的，本发明采取以下技术措施：

基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，该装置包括：PXI系统、微波源、功率分配器、晶振、电流源、转接电路、耦合电路、电流转电压电路、被动型CPT原子钟的物理系统和频率测试仪。所述PXI系统包括模块化的嵌入式控制器、数据采集卡和机箱，数据采集卡实现信号的输入和输出。其中PXI系统主要实现虚拟通道的创建、PID算法、数字滤波、数字解调、VCSEL输入电压的扫描、VCSEL输入电压的锁定与反馈、晶振输入电压的扫描、晶振输入电压的锁定与反馈、微波源的控制、幅度调制（AM）、频移键控调制（2FSK）和参数的自整定。

所述数据采集卡主要实现模数转换、数模转换和脉冲信号的输出。

所述机箱用于装载嵌入式控制器和数据采集卡，并为嵌入式控制器和数据采集卡提供电源和PCI通信总线。

所述微波源的输出频率由晶振输出频率通过微波源内的锁相环倍频而来，输出功率可受PXI系统控制。

所述被动型CPT原子钟的物理系统包括VCSEL、衰减片、λ/4波片、原子蒸汽泡、磁场线圈、磁屏蔽层、光电探测器、热敏电阻、加热丝和TEC，其中热敏电阻反映激光器和原子蒸汽泡的温度，加热丝和TEC用来对激光器和原子蒸汽泡进行加热和制冷。

所述转接电路用于将物理系统的热敏电阻反映的温度信息转换成电压信号，将PXI系统输出的电压信号通过运算放大器和三极管处理之后连接至物理系统的加热丝和TEC，将PXI系统输出的电压信号通过运算放大器处理之后连接至物理系统的磁场线圈。

所述耦合电路用于对电流源的输出、PXI系统输出的直流调制信号和微波源的输出进行耦合。

所述电流转电压电路用于将物理系统输出的反映鉴频信息的电流信号转换成电压信号。

利用权利要求1所述装置的被动型CPT原子钟实验方法，包括以下步骤：

步骤1、PXI系统通过数据采集卡采集被动型CPT原子钟的物理系统通过转接电路输出的环境温度信号，对环境温度信号进行数字滤波处理和PID运算，然后将PID运算结果通过数据采集卡再输出至转接电路，进而通过物理系统内的TEC和加热丝控制VCSEL和原子蒸汽泡的环境温度，

步骤2、等待VCSEL和原子蒸汽泡所处环境的温度稳定在预定的温度之后，PXI系统通过数据采集卡输出预定电压至晶振，晶振输出频率通过微波源内的锁相环倍频之后输出微波信号到耦合电路，

PXI系统输出间歇性（采用间歇性输出，是通过分时的方法保证直流调制信号和微波调制信号在时序上错开，如图4所示，从而降低相互之间干扰。）的周期方波信号作为直流调制信号到耦合电路，调制方式为幅度调制，

PXI系统控制电流源依次输出预定范围的直流扫描信号到耦合电路，

直流扫描信号、直流调制信号和微波信号经过耦合电路之后输入至物理系统内的VCSEL， 

PXI系统采集物理系统通过光电探测器输出的光电信号， 

直流扫描完成之后，采集到的光电信号为多普勒吸收峰，通过数字滤波和数字解调，得到多普勒吸收峰的微分信号，将电流源输出直流固定在微分信号最大值对应的电流值处，

对直流调制信号进行相位同步得到直流调制信号的最佳相位值，

将直流调制信号相位固定在最佳相位值处，再次控制电流源输出直流扫描信号，得到多普勒吸收峰的微分信号，将电流源输出直流固定在多普勒吸收峰的微分信号的最大值和最小值之间的零点所对应的电流值处，从而实现直流的锁定，

直流锁定之后，依据物理系统输出光电信号持续对电流源输出直流进行反馈；

步骤3、PXI系统通过数据采集卡输出扫描电压信号至晶振，通过控制晶振使微波源依次产生预定频率范围的微波频率扫描信号，

PXI系统还通过数据采集卡间歇性（采用间歇性输出是通过分时的方法保证直流调制信号和微波调制信号在时序上错开，如图4所示，从而降低相互之间的干扰）的输出周期方波信号到微波源，触发微波源产生微波频率调制信号，调制方式为频移键控调制，

频率扫描完成之后，采集到的信号为EIT信号，通过数字滤波和数字解调之后，得到EIT信号的微分信号，将微波源输出微波频率固定在EIT的微分信号最大值对应的微波频率值处，

对微波频率调制信号相位进行同步，得到微波频率调制信号的最佳相位值，

将微波频率调制信号相位固定在最佳相位值处，再次通过控制晶振压控端电压使微波源输出微波频率扫描信号，采集物理系统输出光电信号为EIT信号，经过数字滤波和数字解调，可以得到EIT信号的微分信号，通过固定晶振压控端电压将微波频率固定在EIT信号的微分信号的最大值和最小值之间的零点所对应的微波频率值处，从而实现微波的锁定，

微波锁定后，依据物理系统输出光电信号持续对微波源输出微波频率进行反馈；

步骤4、将晶振输出频率经过功率分配器之后与接入至频率测试仪的氢原子钟进行频率比对。

如上所述的步骤2中对直流调制信号进行相位同步包括以下步骤：对直流调制信号相位在0-360度进行扫描，并对物理系统输出光电信号进行数字解调，取解调结果中最小值对应的直流调制信号的相位值为直流调制信号初步最佳相位值；

获得直流调制信号初步最佳相位值后，在直流调制信号初步最佳相位值±预定扫描相位值的范围内再次进行扫描，同时对物理系统输出光电信号进行数字解调，取解调结果最小时对应的相位值为直流调制信号最佳相位值；

所述的步骤3对微波频率调制信号进行同步包括以下步骤：对微波频率调制信号相位在0-360度进行扫描，并对物理系统输出光电信号进行数字解调，取解调结果中最小值对应的相位值为微波频率调制初步最佳相位值，

获得微波频率调制信号初步最佳相位值后，在微波频率调制信号初步最佳相位值±预定扫描相位值的范围内再次进行扫描，同时对物理系统输出光电信号进行数字解调，取解调结果最小时对应的相位值为微波频率调制信号最佳相位值。

如上所述的步骤2中依据物理系统输出光电信号持续对电流源输出直流进行反馈包括以下步骤：

采集物理系统输出光电信号，经过数字滤波和数字解调，得到解调数据，对解调数据进行自整定PID运算，运算结果叠加到直流锁定时的电流值处；

所述的步骤3中依据物理系统输出光电信号持续对微波源输出微波频率进行反馈包括以下步骤：

采集物理系统10输出信号，经过数字滤波和数字解调，得到解调数据，对解调数据进行自整定PID运算，运算结果叠加到微波锁定时的晶振压控端电压值处；

如上所述的自整定PID运算包括以下步骤：

依次对P、I、D参数在预定范围内进行扫描，每个参数在每次扫描时对应一组物理系统输出光电信号的解调结果，计算这组解调结果的方差，取方差最小时对应的参数值为该参数（P/I/D）的最优值。

基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，还包括以下步骤：在预定温度范围内以预定步进扫描步骤2中的原子蒸汽泡的控温点，重复步骤2-4，得到EIT信号之后计算其对比度和频移，其中EIT信号的对比度为EIT信号的信号幅度与背景幅度的比值，频移为原子钟闭环锁定之后晶振输出频率与氢原子钟输出频率的频率偏移值，扫描完成之后，选取EIT信号对比度最大且频率偏移斜率最小时对应的原子蒸汽泡控温点为最佳原子蒸汽泡控温点。

基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，还包括以下步骤：在预定频率范围内以预定步进改变步骤4中微波频率调制信号的调制深度，重复步骤3-4，每次得到EIT信号之后计算其微分信号的鉴频斜率。其中鉴频斜率定义为EIT信号的微分信号过零点的斜率，选择鉴频斜率的比值为最小时的微波频率调制信号的调制深度为最佳值调制深度。

基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，还包括以下步骤：晶振压控端输入电压的控制频率称为反馈频率，反馈频率分别设置为微波调制信号频率的1、1/2、1/3、1/4、1/5和1/6倍，重复步骤3-4，通过将晶振输出频率经过功率分配器之后与接入至频率测试仪的氢原子钟进行频率比对获得频率比对曲线，选取频率比对曲线最低时对应的反馈频率值作为最佳值反馈频率值。

整个过程中，运行于PXI系统的LabVIEW程序通过波形图表对信号处理过程中的数据进行实时监测，极大地方便了对被动型CPT原子钟的实验研究。对直流进行幅度调制和对微波进行频移键控调制时采用分时调制的方法，由此直流调制信号和微波调制信号都是间歇性的周期方波信号，相互交错输入至物理系统。在对物理系统输出的光电信号进行数字解调时采用分时解调的方法，即一次数据采集和解调对应直流调制信号，下一次数据采集和解调对应微波调制信号，如此交替进行。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、通过数字信号处理算法实现了对被动型CPT原子钟工作参数的自动化调节，提高了调节精度，缩短了调节时间，降低了人力成本。

2、使用分时调制与解调的算法，减小了信号之间的干扰，同时结合电子学仪器和自行研制的电路的优点，增加了测量的准确度。

3、能以更高分辨率和更高采样率进行数据采集，且对数字信号处理过程中的数据进行实时监测、处理和分析，同时装置模块化，容易携带，出现故障能迅速定位，方便了实验研究。

4、扩展性和可移植性强。很容易对外部设备进行实时控制，软件也很容易更新，极大方便了对不同物理方案的被动型CPT原子钟进行研究和比较。

附图说明

图1为基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置。

其中：1-PXI系统，2-频率测试仪，3-晶振，4-功率分配器，5-微波源，6-电流源，7-转接电路，8-电流转电压电路，9-耦合电路，10-物理系统。

图2为PXI系统内部结构。

其中：11-PXI机箱（PXIe-1062Q），12-嵌入式控制器（PXIe-8133），13-第一数据采集卡（PCI-4461 A），14-第二数据采集卡（PCI-4461 B），15-第三数据采集卡（PCI-6220）。

图3为PXI系统的程序流程图。

图4为直流调制和微波调制时序图。

图5为耦合电路原理图。

图6为转接电路原理图。

图7为电流转电压电路原理图。

图8为被动型CPT原子钟物理系统框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施实例来对本发明作进一步说明。

基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置：

该装置包括：PXI系统1、频率测试仪2、晶振3、功率分配器4、微波源5、电流源6、转接电路7、耦合电路9、电流转电压电路8、被动型CPT原子钟的物理系统10 、第一数据采集卡13、第二数据采集卡14、第三数据采集卡15。

PXI系统1采用NI公司的模块化产品构建，其中嵌入式控制器12采用PXIe-8133，两块高分辨率模拟输入输出采集卡（第一数据采集卡13、第二数据采集卡14）采用PCI-4461A、PCI-4461B，数字I/O采用PCI-6220。PXI系统1通过嵌入式控制器12的GPIB接口、RS232接口和LAN接口对外部仪器进行控制。PCI-4461A 13用于采集反映温度信息的电压信号，并输出用于两路温度控制的电压信号，PCI-4461B 14用于采集物理系统10输出的信号，并输出反馈晶振3和控制磁场的电压信号。PCI-6220 15用于输出调制直流的方波信号，输出微波调制的触发信号。

晶振3为VFT14A，输出频率10MHz，控制端输入电压范围0-4.1V，控制斜率典型值为0.4ppm/V。

功率分配器4为Mini-Circuits公司的ZFSC-2-1-75+，用于将晶振3输出频率分为两路，一路输入到频率测试仪2，另一路输入到微波源5。

微波源5为Agilent公司的E8257D，扫描模式频率分辨率为0.001Hz，输出频率范围为250kHz-20GHz,输出功率范围-20dBm-16dBm。PXI系统1通过LAN接口控制微波源5的输出频率和功率，通过输出脉冲信号控制微波源5的频率调制信号。

电流源6为Keithley 6220精密电流源，PXI系统1通过GPIB接口实现电流扫描和固定输出。

转接电路7主要使用电桥、参考电源芯片、运算放大器、三极管构成。参考电源芯片使用的是MAX6133，运算放大器使用的是AD8039，三极管使用的是BD139和2N3904。

转接电路7主要完成将热敏电阻反映的原子蒸汽泡和VCSEL的温度信号转换为数据采集卡能够采集的电压信号、将数据采集卡输出的用于控制温度的电压信号通过运算放大器和三极管转换为高精度的电流信号输出到TEC和加热丝、将数据采集卡输出的电压信号转化为电流信号从而控制磁场线圈的磁场大小。

耦合电路9用来对电流源6的输出、PXI系统1输出的直流调制信号和微波源5的输出进行耦合，输入到物理系统10内的VCSEL。

电流转电压电路8用来将物理系统10输出的光电流信号转换为电压信号，主要使用的是互阻运算放大器OPA2378。

被动型CPT原子钟的物理系统10包括激光器、衰减片、λ/4波片、原子蒸汽泡、温度控制电路、磁场线圈、磁屏蔽层、光电探测器、热敏电阻、加热丝和TEC，其中热敏电阻反映激光器和原子蒸汽泡的温度，加热丝和TEC用来对激光器和原子蒸汽泡进行加热或制冷。

频率测试仪2为SpectraTime公司的PicoTime，其测试信号频率范围为1MHz-30MHz，相位时间分辨率和噪声小于2ps rms，输入信号功率范围3dBm-17dBm，用于将被动型CPT原子钟闭环锁定之后的输出频率与参考频率进行比对，测试频率稳定度，其中参考频率使用的是氢原子钟输出的10MHz。PXI系统通过RS232接口控制频率测试仪。

各装置之间的连接关系：PXI系统1通过嵌入式控制器12的GPIB接口、LAN接口和RS232接口分别与电流源6、微波源5和频率测试仪2相连，PXI系统1通过PCI4461A 13、PCI-4461B 14与转接电路7、电流转电压电路8和晶振3输入端相连，PXI系统1通过PCI-6220 15通道P0.1与微波源5外部信号输入端相连，晶振3输出端与功率分配器4输入端相连，功率分配器4两路输出端一路与微波源5参考输入相连，另一路与频率测试仪2输入端相连，耦合电路9输入端分别与PCI-6220 15通道P0.0、电流源6输出端和微波源5输出端相连，被动型CPT原子钟的物理系统10的激光器输入端和光电探测器输出端分别与耦合电路9输出端和电流转电压电路8输入端相连，被动型CPT原子钟的物理系统10内的热敏电阻、加热丝和TEC与转接电路7相连。

基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法：

步骤1、PXI系统1利用嵌入式控制器12初始化第一~第三数据采集卡（13、14、15），并通过嵌入式控制器12的LAN接口和GPIB接口初始化电流源6和微波源5，然后通过第一数据采集卡13和转接电路7采集物理系统10内的原子蒸汽泡和VCSEL的温度信息，并输出控制量至加热丝和TEC，实现原子蒸汽泡和VCSEL温度分别稳定在65℃和40℃。

步骤2、PXI系统1通过第二数据采集卡14输出固定电压2.5V至晶振3，输出固定电压2V至转接电路7用于控制物理系统10内的磁场线圈电流，通过第三数据采集卡 15间歇性地输出频率为5kHz的直流调制信号至耦合电路9，直流调制信号如图4所示。控制微波源5输出固定频率3.417GHz，微波功率4.2dBm。控制电流源6依次输出直流扫描信号，同时通过第二数据采集卡 14和电流转电压电路8采集物理系统10输出的光电流信号，通过第二数据采集卡14和转接电路7输出2mA电流至物理系统10磁场线圈。其中控制电流源6直流扫描输出范围为0.9mA-1.5mA，扫描步进为20nA。电流源6直流扫描输出完成之后，采集到的物理系统10输出信号为多普勒吸收峰，由于输入至物理系统10的直流叠加有如图4所示的直流调制信号，经过数字滤波和数字解调，可以得到多普勒吸收峰的微分信号。不同电流值对应的多普勒吸收峰的微分信号反映了物理系统输出光电信号中直流调制信号幅度的大小。为了使物理系统输出光电信号包含的直流调制信号幅度最大以方便接下来的相位自整定，将电流源6输出直流固定在微分信号最大值对应的电流值处。

由于信号在电子学仪器和物理系统内传输存在延迟，导致对物理系统10输出信号进行数字解调时的解调相位和直流调制信号相位存在差异，因此数字解调时得到的多普勒吸收峰的微分信号幅度不是最大。为此，对直流调制信号的相位进行自整定。相位自整定的算法是：在直流扫描信号选定为某个具体的预定扫描值时（即将电流源6输出直流固定在微分信号最大值对应的电流值处），对直流调制信号相位在0-360度进行扫描，扫描步进为10度，并对物理系统10输出信号进行数字解调，由于输入至物理系统10的电流已经是固定值，得到类似余弦函数的曲线，取解调结果中最小值对应的直流调制信号的相位值为直流调制信号初步最佳相位值。

为了提高精度，在直流调制信号初步最佳相位值附近0-10度再次进行扫描，扫描步进减小为1度，同时对物理系统10输出光电信号进行数字解调，取解调结果最小时直流调制信号的对应的相位值为直流调制信号最佳相位值。

将直流调制信号相位固定在最佳相位值处，再次控制电流源6输出同样的直流扫描信号，采集物理系统10输出信号为多普勒吸收峰，经过数字滤波和数字解调，可以得到多普勒吸收峰的微分信号。此时，得到的多普勒吸收峰的微分信号幅度最大。然后将电流源6输出直流固定在多普勒吸收峰的微分信号的最大值和最小值之间的零点所对应的电流值处，从而实现直流的锁定。

由于电流源6输出直流会有漂移，并且物理系统10内VCSEL输出实验要求的激光波长所需要的输入电流也会受温度等因素影响，因此需要依据物理系统输出光电信号持续对电流源6输出直流进行反馈。直流反馈的方法是：等待直流锁定之后，采集物理系统10输出信号，经过数字滤波和数字解调，得到解调数据，对解调数据进行PID运算，运算结果叠加到直流锁定时的电流值处，重新输入至物理系统10，如此形成一个闭环的负反馈系统。

在对直流进行反馈时，采用了PID算法，为了快速地且自动地获取最佳的PID参数值，对PID参数进行自整定。自整定算法为：依次对P、I、D参数在预定范围内进行扫描，每个参数（P/I/D）每次扫描对应一组物理系统10输出信号的解调结果，计算这组解调结果的方差，取方差最小时对应的参数值为最优参数值。

步骤3、PXI系统1通过第三数据采集卡15间歇性地输出频率为100Hz的方波信号（如图4所示）至微波源5，触发微波源5产生微波频率调制信号，并通过第二数据采集卡14输出扫描电压至晶振3，通过晶振3触发微波源5依次产生预定频率范围的微波频率扫描信号，实现对微波源5输出频率的扫描。其中，微波源5输出频率变化为3.4173385GHz-3.4173485GHz，调制微波频率调制信号的调制深度为160Hz。频率扫描完成之后，采集到的物理系统10输出信号为EIT信号，由于输入至物理系统10的微波叠加有微波频率调制信号（如图4所示），经过数字滤波和数字解调，可以得到EIT信号的微分信号。不同微波频率对应的EIT信号的微分信号反映了物理系统输出光电信号中微波频率调制信号幅度的大小。为了使物理系统输出光电信号包含的微波频率调制信号幅度最大以方便相位自整定，将微波源5输出微波频率固定在EIT的微分信号最大值对应的微波频率值处。由于微波源5输出频率由晶振3倍频而来，固定微波频率就是固定晶振3压控端输入电压。

在微波频率扫描信号选定为某个具体的预定扫描值时（即微波频率扫描信号固定在EIT的微分信号最大值对应的微波频率值处），对微波频率调制信号相位在0-360度进行扫描，扫描步进为10度，并对物理系统10输出光电信号进行数字解调，由于输入至物理系统10的微波频率已经是固定值，得到类似余弦函数的曲线，取曲线中最小值对应的相位值为初步最佳相位值。为了提高精度，在初步最佳相位值附近0-10度再次进行扫描，扫描步进减小为1度，同时对物理系统10输出信号进行数字解调，取解调结果最小时对应的相位值为最佳相位值。

将微波频率调制信号相位固定在最佳相位值处，再次通过控制晶振3压控端电压使微波源5输出同样的微波频率扫描信号，采集物理系统10输出信号为EIT信号，经过数字滤波和数字解调，可以得到EIT信号的微分信号。此时，得到的EIT的微分信号幅度最大。然后通过固定晶振3压控端电压将微波频率固定在EIT信号的微分信号的最大值和最小值之间的零点所对应的微波频率值处，从而实现微波的锁定。

由于使用晶振输出10MHz作为参考的微波源5输出微波频率存在漂移，而物理系统10所起的作用就是对该频率进行校准，从而让晶振输出10MHz具有更高的频率稳定度，因此需要依据物理系统输出光电信号持续对微波源5输出微波频率进行反馈。微波反馈的方法是：等待微波锁定之后，采集物理系统10输出信号，经过数字滤波和数字解调，得到解调数据，对解调数据进行PID运算，运算结果叠加到微波锁定时的晶振压控端电压值处，得到新的的微波频率值重新输入至物理系统10，如此形成类似于直流反馈系统的另一个闭环的负反馈系统。

在对微波频率进行反馈时，也就是晶振压控端输入电压进行反馈时，采用了PID算法，为了快速地且自动地获取最佳的PID参数值，对PID参数进行自整定。自整定算法为：依次对P、I、D参数在一定范围内进行扫描，每个参数在每次扫描对应一组物理系统10输出信号的解调结果，计算这组解调结果的方差，取方差最小时对应的参数值为该参数值（P/I/D）最优值。

步骤4、对微波频率以最佳反馈参数进行反馈之后，被动型CPT原子钟实现了闭环锁定，此时晶振3输出频率通过物理系统10进行持续校准。将晶振3输出频率经过功率分配器4之后与接入至频率测试仪2的氢原子钟进行频率比对，比对数据通过RS232接口发送至PXI系统1进行数据显示和数据平均。

步骤5、在预定温度范围内以预定步进扫描步骤2中的原子蒸汽泡的控温点，重复步骤2-4，得到EIT信号之后计算其对比度和频移，其中EIT信号的对比度定义为EIT信号的信号幅度与背景幅度的比值，频移为原子钟闭环锁定之后晶振输出频率与氢原子钟输出频率的频率偏移值，由步骤4中频率测试仪2输出数据可知。扫描完成之后，选取EIT信号对比度最大且频率偏移斜率最小时对应的原子蒸汽泡控温点为最佳值。

步骤6、在预定频率范围内以预定步进改变步骤4中微波频率调制信号的调制深度，重复步骤3-4，每次得到EIT信号之后计算其微分信号的鉴频斜率。其中鉴频斜率定义为EIT信号的微分信号过零点的斜率。选择鉴频斜率的比值为最小时的微波频率调制信号的调制深度为最佳值。

步骤3对晶振3压控端输入电压的控制频率称为反馈频率（即指对晶振多长时间进行反馈一次），之前设置为100Hz，对应微波调制信号频率。将反馈频率分别设置为微波调制信号频率的1、1/2、1/3、1/4、1/5和1/6倍，重复步骤3-4，通过步骤4观测频率比对曲线。频率比对曲线是通过频率测试仪得到的，是计算晶振输入频率与氢原子中输出频率的差值，再计算阿伦方差得到的曲线，曲线越低，表明原子钟频率稳定度越好，选取频率比对曲线最低时对应的反馈频率值作为最佳值。

步骤2、3所述的直流调制信号和微波频率调制信号时序图如图所示，可知直流调制信号和微波调制信号都是间歇性的周期方波信号，相互交错输入至物理系统10。在对物理系统10的输出信号进行数字解调时，采用分时的方法，即一次数据采集完成直流的解调，下一次数据采集完成微波的解调，如此反复进行。

具体实施过程中，运行于嵌入式控制器12的LabVIEW程序如图3所示，具体流程如下：

(1) 启动实验装置（过程3-1），配置数据卡、电流源和微波源（过程3-2）。PXI系统1的嵌入式控制器12安装Windows 7操作系统，PicoTime RS软件，LabVIEW 2011软件，NI-VISA驱动，NI-DAQmx驱动。LabVIEW程序通过DAQmx函数设置PCI-4461 A 13的输入输出采样率为200kS/s，输入输出缓冲区大小为4000点，设置PCI-4461 B 14的输入输出采样率为200kS/s，输入输出缓冲区大小为2000点，设置PCI-6220 15输出采样率为200kS/s，输出缓冲区大小为4000点。PCI-4461 A 13、PCI-4461 B 14和PCI-6220 15的采样时钟进行了同步。利用VISA函数创建两个虚拟通道，一个通过GPIB接口连接电流源6，另一个通过LAN接口连接微波源5。

(2) 温度控制（过程3-3）。PCI-4461 A 13的两路模拟输入通道0和1分别采集物理系统10内的原子蒸汽泡和VCSEL的温度信号（过程3-4）。每完成一次采集，将4000点数据通过队列函数保存，在下一次采集完成之前，取出队列数据，利用波形图表实时绘出反映温度信息的数据，之后进行滤波处理（过程3-5），然后将滤波后的数据平均之后与控温点对应的数字量进行差值计算，并对此差值进行PID运算（过程3-6），PID运算之后的结果与大小为4000的零数组求和，通过PCI-4461 A 13模拟输出通道0和1输出至转接电路（过程3-7），进而控制加热丝和TEC。

 (3) 判断温度稳定之后（过程3-8），进行激光频率控制（过程3-9）。控制电流源6进行扫描输出（过程3-10），控制微波源5输出固定频率3.417GHz，同时利用DAQmx函数设置PCI-6220 15通道P0.0输出频率为5kHz的间歇性方波信号，设置PCI-4461B 14模拟输出通道0输出固定电压2.5V至晶振3，模拟输出通道1输出固定电压2V至转接电路7用于控制物理系统10内的磁场线圈电流。当电流源6输出的扫描信号、PCI-6220通道P0.0输出的直流调制信号和微波源5的输出通过耦合电路输入至物理系统10之后，物理系统10输出的光电流信号通过电流转电压电路8之后，由PCI-4461B 14通过模拟输入通道0采集（过程3-11），采集的数据通过队列函数保存，其中每个直流扫描点对应一次2000点的数据采集。在下一次采集完成之前，以一维数组的形式取出队列数据，进行数字滤波之后，完成数字解调（过程3-12），其中数组大小为2000，对应一次数据采集点的个数。由于直流调制频率设置为5kHz，可知物理系统10的输出信号采集的2000点包含50个直流调制周期。数字解调方法为，对数组进行索引，分别取出所有直流调制信号前半周期和后半周期对应的数据并求和，将两次求和之后的数据进行相减之后平均，即可实现。一次解调完成之后，通过波形图表绘出一次直流扫描点、一次原始数据和一次解调结果的曲线。当直流扫描完成之后，原始数据曲线为多普勒吸收峰，解调结果曲线为多普勒吸收峰的微分信号。利用函数对保存解调结果的数组求最大值，并求出最大值索引，依据最大值在数组中的索引，对直流扫描值进行查找，得到解调结果的最大值对应的直流扫描值作为电流源6的固定输出。然后对直流调制信号相位进行0-360度扫描，扫描步进10度，每完成物理系统10的输出信号的采集、滤波和解调，改变一次相位值，当调制信号相位与解调信号相位对齐或相差π时，解调结果为最大值或最小值。扫描完成之后，对解调结果的值进行比较，取最小值对应的相位值为初步最佳相位值。为了提高精度，再在初步最佳相位值附近0-10度进行小步进的扫描，扫描步进为1度，扫描结束之后，对解调结果的值进行比较，取最小值对应的相位值为最佳相位值（过程3-13）。接着将直流调制信号设置为最佳相位值，再次控制电流源6进行同样的直流扫描输出，得到多普勒吸收峰及其微分信号，并将电流源6输出固定在微分信号最大值和最小值之间的零点对应的电流值处（过程3-14）。最后，利用解调结果对直流进行反馈，此时电流源6的输出不再为固定值，而是随着解调结果而变化（过程3-15）。将每次得到的解调结果进行PID运算，将运算结果反馈至电流源6的输出（过程3-16），重新输入至物理系统10。其中PID参数的自整定算法为：对PID各个参数进行扫描，每次扫描后计算1000次解调结果的方差，选取方差最小时对应的PID参数值为最优值。

(4) 微波频率控制（过程3-17）。当对输入物理系统10的电流进行持续反馈之后，开始进行微波频率的扫描。微波频率的扫描，通过对晶振3输入电压的扫描实现。PCI-4461B 14的模拟输出通道0输出扫描电压至晶振3控制端（过程3-18），PCI-6220 15的通道P0.1输出频率为100Hz的间歇性方波信号作为微波调制触发，可知物理系统10的输出信号采集的2000点包含一个微波调制周期。完成物理系统10的输出信号的采集（过程3-19），进行数字滤波之后，取出微波调制信号前半周期和后半周期对应的数据并求和，将两次求和之后的数据进行相减之后平均，得到一次解调结果（过程3-20），并通过波形图表绘出一次微波扫描、一次原始数据和一次微波解调结果的曲线。其中对直流调制信号的解调、微波调制信号的解调是轮流进行的。当微波扫描完成之后，原始数据曲线为EIT信号，解调结果曲线为EIT信号的微分信号。利用函数对保存微波解调结果的数组求最大值，并求出最大值的索引，依据最大值在数组中的索引，对微波扫描值进行查找，得到解调结果的最大值对应的微波扫描值作为晶振3的固定输入电压。对PCI-6220 15输出的微波调制信号相位进行0-360度扫描，扫描步进10度，每完成物理系统10的输出信号的采集、滤波和解调，改变一次相位值。类似于对直流调制信号相位的整定，扫描完成之后，对解调结果的值进行比较，取最小值对应的相位值为初步最佳相位值。再在初步最佳相位值附近0-10度以步进1度进行扫描，扫描结束之后，对解调结果的值进行比较，取最小值对应的相位值为最佳相位值（过程3-21）。接着将微波频率调制信号设置为最佳相位值，再次通过控制晶振3压控端输入电压控制微波源5进行同样的直流扫描输出，得到EIT信号及其微分信号，并将微波源5输出频率固定在微分信号最大值和最小值之间的零点对应的微波频率处（过程3-22）。最后，依据微波解调结果对微波频率进行反馈，此时微波源5的输出不再为固定值，而是随着微波解调结果而变化（过程3-23）。将每次得到的微波解调结果进行PID运算，将运算结果作为晶振3的输入电压（过程3-24）。其中PID参数的自整定算法与对电流反馈PID参数整定算法类似。当对微波频率进行锁定并持续反馈之后，被动型CPT原子钟实现了闭环锁定（过程3-25），晶振3输出频率经过功率分配器4之后一路连接至频率测试仪2进行测试，测试结果通过RS232接口发送至PXI系统1，由PicoTime RS软件保存测试数据并绘出频率稳定度测试曲线。

(5) 参数整定（过程3-26）。在50-80度温度范围内以步进1度扫描步骤（2）中的原子蒸汽泡的控温点，重复步骤(2)-(4)，得到EIT信号之后计算其对比度和频移，。扫描完成之后，选取EIT信号对比度最大且频移斜率最小时对应的原子蒸汽泡控温点为最佳值。从40Hz-240Hz以步进5Hz改变步骤（4）中微波调制信号的调制深度，重复步骤（4），每次得到EIT信号之后计算其微分信号的鉴频斜率。选择鉴频斜率的比值为最小时的微波调制信号的调制深度为最佳值。步骤（4）对晶振3输入电压的控制频率称为反馈频率，之前设置为100Hz，对应微波调制信号频率。将反馈频率分别设置为微波调制信号频率的1、1/2、1/3、1/4、1/5和1/6倍，重复步骤（4），观测频率稳定度曲线，选取频率稳定度曲线最优时对应的反馈频率值作为最佳值。

以上实例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，本领域的普通技术人员应当理解，本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围中。

Claims (8)

1.基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验装置，包括PXI系统（1）和物理系统（10），其特征在于，还包括分别与PXI系统（1）连接的频率测试仪（2）、晶振（3）、微波源（5）、电流源（6）、转接电路（7）、电流转电压电路（8）和耦合电路（9），功率分配器（4）分别与晶振（3）、频率测试仪（2）和微波源（5）连接，耦合电路（9）分别与微波源（5）和电流源（6）连接，物理系统（10）分别与耦合电路（9）、转接电路（7）和电流转电压电路（8）连接。

2.利用权利要求1所述装置的被动型CPT原子钟实验方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、PXI系统通过数据采集卡采集被动型CPT原子钟的物理系统通过转接电路输出的环境温度信号，对环境温度信号进行数字滤波处理和PID运算，然后将PID运算结果通过数据采集卡再输出至转接电路，进而通过物理系统内的TEC和加热丝控制VCSEL和原子蒸汽泡的环境温度，

步骤2、等待VCSEL和原子蒸汽泡所处环境的温度稳定在预定的温度之后，PXI系统通过数据采集卡输出预定电压至晶振，晶振输出频率通过微波源内的锁相环倍频之后输出微波信号到耦合电路，

PXI系统输出间歇性的周期方波信号作为直流调制信号到耦合电路，调制方式为幅度调制，

PXI系统控制电流源依次输出预定范围的直流扫描信号到耦合电路，

直流扫描信号、直流调制信号和微波信号经过耦合电路之后输入至物理系统内的VCSEL，

PXI系统采集物理系统通过光电探测器输出的光电信号，

直流扫描完成之后，采集到的光电信号为多普勒吸收峰，通过数字滤波和数字解调，得到多普勒吸收峰的微分信号，将电流源输出直流固定在微分信号最大值对应的电流值处，

对直流调制信号进行相位同步得到直流调制信号的最佳相位值，

将直流调制信号相位固定在最佳相位值处，再次控制电流源输出直流扫描信号，得到多普勒吸收峰的微分信号，将电流源输出直流固定在多普勒吸收峰的微分信号的最大值和最小值之间的零点所对应的电流值处，从而实现直流的锁定，

直流锁定之后，依据物理系统输出光电信号持续对电流源输出直流进行反馈；

步骤3、PXI系统通过数据采集卡输出扫描电压信号至晶振，通过控制晶振使微波源依次产生预定频率范围的微波频率扫描信号，

PXI系统还通过数据采集卡间歇性的输出周期方波信号到微波源，触发微波源产生微波频率调制信号，调制方式为频移键控调制，

频率扫描完成之后，采集到的信号为EIT信号，通过数字滤波和数字解调之后，得到EIT信号的微分信号，将微波源输出微波频率固定在EIT的微分信号最大值对应的微波频率值处，

对微波频率调制信号相位进行同步，得到微波频率调制信号的最佳相位值，

将微波频率调制信号相位固定在最佳相位值处，再次通过控制晶振压控端电压使微波源输出微波频率扫描信号，采集物理系统输出光电信号为EIT信号，经过数字滤波和数字解调，可以得到EIT信号的微分信号，通过固定晶振压控端电压将微波频率固定在EIT信号的微分信号的最大值和最小值之间的零点所对应的微波频率值处，从而实现微波的锁定， 

微波锁定后，依据物理系统输出光电信号通过控制晶振持续对微波源输出频率进行反馈；

步骤4、将晶振输出频率经过功率分配器之后与接入至频率测试仪的氢原子钟进行频率比对。

3.根据权利要求2所述的基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，其特征在于，

所述的步骤2中对直流调制信号进行相位同步包括以下步骤：对直流调制信号相位在0-360度进行扫描，并对物理系统输出光电信号进行数字解调，取解调结果中最小值对应的直流调制信号的相位值为直流调制信号初步最佳相位值；

获得直流调制信号初步最佳相位值后，在直流调制信号初步最佳相位值±预定扫描相位值的范围内再次进行扫描，同时对物理系统输出光电信号进行数字解调，取解调结果最小时对应的相位值为直流调制信号最佳相位值；

所述的步骤3对微波频率调制信号进行相位同步包括以下步骤：对微波频率调制信号相位在0-360度进行扫描，并对物理系统输出光电信号进行数字解调，取解调结果中最小值对应的相位值为微波频率调制初步最佳相位值，

获得微波频率调制信号初步最佳相位值后，在微波频率调制信号初步最佳相位值±预定扫描相位值的范围内再次进行扫描，同时对物理系统输出光电信号进行数字解调，取解调结果最小时对应的相位值为微波频率调制信号最佳相位值。

4.根据权利要求3所述的基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，其特征在于，

所述的步骤2中依据物理系统输出光电信号持续对电流源输出直流进行反馈包括以下步骤：

采集物理系统输出光电信号，经过数字滤波和数字解调，得到解调数据，对解调数据进行自整定PID运算，运算结果叠加到直流锁定时的电流值处；

所述的步骤3中依据物理系统输出光电信号持续对微波源输出微波频率进行反馈包括以下步骤：

采集物理系统10输出信号，经过数字滤波和数字解调，得到解调数据，对解调数据进行自整定PID运算，运算结果叠加到微波锁定时的晶振压控端电压值处。

5.根据权利要求4所述的基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，其特征在于，

所述的自整定PID运算包括以下步骤：

依次对P、I、D参数在预定范围内进行扫描，每个参数在每次扫描时对应一组物理系统输出光电信号的解调结果，计算这组解调结果的方差，取方差最小时对应的参数值为该参数（P/I/D）的最优值。

6.根据权利要求2-5所述的任意基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，其特征在于，还包括以下步骤：在预定温度范围内以预定步进扫描步骤2中的原子蒸汽泡的控温点，重复步骤2-4，得到EIT信号之后计算其对比度和频移，其中EIT信号的对比度为EIT信号的信号幅度与背景幅度的比值，频移为原子钟闭环锁定之后晶振输出频率与氢原子钟输出频率的频率偏移值，扫描完成之后，选取EIT信号对比度最大且频率偏移斜率最小时对应的原子蒸汽泡控温点为最佳原子蒸汽泡控温点。

7.根据权利要求2-5所述的任意基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，其特征在于，还包括以下步骤：在预定频率范围内以预定步进改变步骤4中微波频率调制信号的调制深度，重复步骤3-4，每次得到EIT信号之后计算微分信号的鉴频斜率，其中鉴频斜率定义为EIT信号的微分信号过零点的斜率，选择鉴频斜率的比值为最小时的微波频率调制信号的调制深度为最佳调制深度。

8.根据权利要求2-5所述的任意基于PXI系统的被动型CPT原子钟实验方法，其特征在于，还包括以下步骤：晶振压控端输入电压的控制频率称为反馈频率，反馈频率分别设置为微波调制信号频率的1、1/2、1/3、1/4、1/5和1/6倍，重复步骤3-4，通过将晶振输出频率经过功率分配器之后与接入至频率测试仪的氢原子钟进行频率比对获得频率比对曲线，选取频率比对曲线最低时对应的反馈频率值作为最佳反馈频率值。

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