CN105572511A - 一种原子钟性能评估装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原子钟性能评估装置，属于原子钟领域。所述装置包括：长期稳定度评估模块、短期稳定度评估模块和综合评估模块；长期稳定度评估模块包括：高精度频率源、对高精度频率源的输出信号进行方波整形的第一方波电路、对原子钟的输出信号进行方波整形的第二方波电路、对第一方波电路和第二方波电路的输出进行相位比较的相位比较电路、计算原子钟的长期稳定度的第一处理单元；短期稳定度评估模块包括：调制信号源、根据物理系统产生的光检信号得到鉴频曲线的鉴频单元、根据鉴频曲线计算原子钟的短期稳定度的第二处理单元；综合评估模块，用于根据第一处理单元和第二处理单元计算出的长期稳定度和短期稳定度输出原子钟的综合性能。

Description

一种原子钟性能评估装置

技术领域

本发明涉及原子钟领域，特别涉及一种原子钟性能评估装置。

背景技术

被动型原子钟主要包括压控晶振、电子线路和量子系统三大部分；其中，压控晶振输出的信号经电子线路的处理产生微波探询信号，该微波探询信号作用于量子系统后，产生量子鉴频信号；电子线路将该量子鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，产生纠偏电压作用于压控晶振，从而改变压控晶振的输出，进而将压控晶振输出锁定于原子基态超精细0-0中心频率上。

而随着原子钟技术的发展，如何检测原子钟输出频率的长期稳定度和短期稳定度，并直观地表示出来，成了原子钟技术研究的重要问题。

发明内容

为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种原子钟性能评估装置。所述技术方案如下：

本发明实施例提供了一种原子钟性能评估装置，其特征在于，所述装置包括：长期稳定度评估模块、短期稳定度评估模块和综合评估模块；

所述长期稳定度评估模块包括：

高精度频率源、对所述高精度频率源的输出信号进行方波整形的第一方波电路、对原子钟的输出信号进行方波整形的第二方波电路、对所述第一方波电路和所述第二方波电路的输出进行相位比较的相位比较电路、根据所述相位比较电路的输出计算所述原子钟的长期稳定度的第一处理单元；

所述短期稳定度评估模块包括：

向所述原子钟的物理系统输出调制信号的调制信号源、根据所述物理系统产生的光检信号得到鉴频曲线的鉴频单元、根据所述鉴频曲线计算所述原子钟的短期稳定度的第二处理单元；

所述综合评估模块，用于根据所述第一处理单元和所述第二处理单元计算出的长期稳定度和短期稳定度输出所述原子钟的综合性能。

在本发明实施例的一种实现方式中，所述综合评估模块包括：

存储单元，用于存储长期稳定度和短期稳定度与性能评分的对应关系；

计算单元，用于根据所述对应关系，将所述第一处理单元和所述第二处理单元计算出的长期稳定度和短期稳定度转换为性能评分，并计算性能评分之和，以表示所述原子钟的综合性能。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述综合评估模块还包括：

显示单元，用于显示所述性能评分之和。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述显示单元为显示器。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一处理单元，包括：

积分电路，用于将所述相位比较电路的输出转换为电压信号；

模数转换电路，用于以T为周期对所述电压信号进行采样，将采样的所述电压信号转换为数字信号，得到多个采样点；

处理电路，用于按采样时间顺序每隔N个点取一个采样值，根据采样值计算频差，根据所述频差及阿仑方差计算公式或哈达玛方差计算公式计算所述长期稳定度。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第一处理单元为计算机。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述T为10S。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述N为1000。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二处理单元，用于：

根据所述鉴频曲线确定吸收因子、调制深度和线宽；

利用信噪比S/N理论计算公式及所述吸收因子、调制深度和线宽，计算系统的信噪比；

根据所述系统的信噪比计算所述原子钟的短期稳定度。

在本发明实施例的另一种实现方式中，所述第二处理单元为计算机。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：

本发明实施例分别通过长期稳定度评估模块中的第一处理单元和短期稳定度评估模块中的第二处理单元，计算长期稳定度和短期稳定度，然后根据长期稳定度和短期稳定度对原子钟的综合性能进行评估，从而给出直观评价，便于技术人员对原子钟的选择。

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是本发明实施例提供的原子钟性能评估装置的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的鉴频曲线；

图3是本发明实施例提供的吸收线。

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。

图1是本发明实施例提供的一种原子钟性能评估装置的结构示意图，参见图1，装置包括：长期稳定度评估模块11、短期稳定度评估模块12和综合评估模块13；

长期稳定度评估模块11包括：

高精度频率源111、对高精度频率源111的输出信号进行方波整形的第一方波电路112、对原子钟的输出信号进行方波整形的第二方波电路113、对第一方波电路112和第二方波电路113的输出进行相位比较的相位比较电路114、根据相位比较电路114的输出计算原子钟的长期稳定度的第一处理单元115，第一方波电路112分别与高精度频率源111和相位比较电路114电连接，相位比较电路114还与第二方波电路113及第一处理单元115电连接，第二方波电路113还与原子钟的输出端电连接；

短期稳定度评估模块12包括：

向原子钟的物理系统输出调制信号的调制信号源121、根据物理系统产生的光检信号得到鉴频曲线的鉴频单元122、根据鉴频曲线计算原子钟的短期稳定度的第二处理单元123，调制信号源121分别与原子钟的物理系统及鉴频单元122电连接，第二处理单元123与鉴频单元122电连接；

综合评估模块13，用于根据第一处理单元115和第二处理单元123计算出的长期稳定度和短期稳定度输出原子钟的综合性能，综合评估模块13分别与第一处理单元115和第二处理单元123电连接。

本发明实施例分别通过长期稳定度评估模块中的第一处理单元和短期稳定度评估模块中的第二处理单元，计算长期稳定度和短期稳定度，然后根据长期稳定度和短期稳定度对原子钟的综合性能进行评估，从而给出直观评价，便于技术人员对原子钟的选择。

在一种可能的实现方式中，综合评估模块13包括：

存储单元131，用于存储长期稳定度和短期稳定度与性能评分的对应关系；

计算单元132，用于根据对应关系，将第一处理单元和第二处理单元计算出的长期稳定度和短期稳定度转换为性能评分，并计算性能评分之和，以表示原子钟的综合性能。

计算单元132与存储单元131、第一处理单元115和第二处理单元123电连接。

进一步地，综合评估模块13还包括：

显示单元133，用于显示性能评分之和。

具体地，显示单元133可以为显示器。显示器可以是发光二极管(LightEmittingDiode，简称LED)显示器、液晶显示器(LiquidCrystalDisplay，简称LCD)或者有机发光二极管(OrganicLight-EmittingDiode，简称OLED)显示器。

在一种可能的实现方式中，第一处理单元115，包括：

积分电路，用于将相位比较电路的输出转换为电压信号；

模数转换电路，用于以T为周期对电压信号进行采样，将采样的电压信号转换为数字信号，得到多个采样点；

处理电路，用于按采样时间顺序每隔N个点取一个采样值，根据采样值计算频差，根据频差及阿仑方差计算公式或哈达玛方差计算公式计算长期稳定度。

积分电路分别与相位比较电路及模数转换电路电连接，处理电路分别与模数转换电路及综合评估模块电连接。

其中，第一处理单元115可以为计算机。

其中，T可以为10S。N可以为1000。

下面以T为10S，N为1000进行举例，对第一处理单元115的具体工作进行说明：

以8位模数A/D转换电路采样为例，在数字信号上它能够代表的数值范围为0-255，通常在测试前我们给定一个校准值(比如122)，它用来定义相位0度时所对应的A/D数字信号的值，相应的可以容易地计算出相应的-180度、+180度的相位值所对应的A/D值为61及186。如上所述，校准值122，采集时间为10S，N为1000为例，则两次选取采样值的时间差为一万秒，因此计算的长期稳定度也就是一次万秒稳定度。取采样点中第1个、第1001个、第2001个…作为采样值，第i个采样值的电压数值为Vi，将其转化为相位值φ_i，具体的转化公式为：

其中N为第i个万秒内所经历的360度完整的周期个数，Vi为第i个万秒时刻减去第i-1个万秒时刻所对应的A/D数值(有正负之分)，φ_i即为所求的第i个万秒所经历的总相位值，则第i个万秒频差fi为：

计算出相应的fi值，则可以将其代入阿仑方差计算公式或哈达玛方差计算公式中计算长期稳定度。

其中，阿仑方差计算公式计算长期稳定度：

${\mathrm{\σ}}_y(2,\mathrm{\τ},\mathrm{\τ},f)=\sqrt{\frac{1}{2(n-1)}\underset{i=1}{\overset{N-1}{\Σ}}{\[y\left({\mathrm{\τ}}_{i+1}\right)-y\left({\mathrm{\τ}}_i\right)\]}^2}$

其中，y为频差，n为采样个数，τ为采样时间。

其中，哈达玛方差计算公式计算长期稳定度：

${\mathrm{H\σ}}_y(3,\mathrm{\τ})=\sqrt{\frac{1}{6(m-2)}\underset{k=1}{\overset{m-2}{\Σ}}{(y_{k+2}-2y_{k+1}+y_k)}^2}$

其中，m为测量次数。

在一种可能的实现方式中，第二处理单元123，用于：

根据鉴频曲线确定吸收因子、调制深度和线宽；

利用信噪比S/N理论计算公式及吸收因子、调制深度和线宽，计算系统的信噪比；

根据系统的信噪比计算原子钟的短期稳定度。

其中，第二处理单元123可以为计算机。

具体地，短期的评估方法是：通过调制信号源121给微波信号加上一个小调频作用于物理系统，然后进行扫频，由物理系统的光电池获得的光检信号送入鉴频单元122中，经过同步相位的检测，得到鉴频曲线，如图2所示；根据鉴频曲线可以推导出的吸收线，如图3所示。

在图2和图3中，有如下的定义：

吸收因子：调制深度：2ε；线宽：

根据这些定义，利用信噪比S/N理论计算公式计算系统的信噪比：

${\left(\frac{S}{N}\right)}^2=\frac{{I_0}^2/2}{2{\mathrm{eI}}_0}=\frac{3^3{\mathrm{\α}}^2{\mathrm{\ϵ}}^2{I}_0}{2^6{\mathrm{e\Δv}}^2}$

对于式中相关参数α、ε、I₀、e、Δν都可以直接或通过计算得到。

根据信噪比S/N和下面的公式可以对短期稳定度进行估算：

${\mathrm{\σ}}_y\left(\mathrm{\τ}\right)=\frac{0.11}{(S/N)}\·\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\τ}}}$

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 (10)

1.一种原子钟性能评估装置，其特征在于，所述装置包括：长期稳定度评估模块、短期稳定度评估模块和综合评估模块；

所述长期稳定度评估模块包括：

高精度频率源、对所述高精度频率源的输出信号进行方波整形的第一方波电路、对原子钟的输出信号进行方波整形的第二方波电路、对所述第一方波电路和所述第二方波电路的输出进行相位比较的相位比较电路、根据所述相位比较电路的输出计算所述原子钟的长期稳定度的第一处理单元；

所述短期稳定度评估模块包括：

向所述原子钟的物理系统输出调制信号的调制信号源、根据所述物理系统产生的光检信号得到鉴频曲线的鉴频单元、根据所述鉴频曲线计算所述原子钟的短期稳定度的第二处理单元；

所述综合评估模块，用于根据所述第一处理单元和所述第二处理单元计算出的长期稳定度和短期稳定度输出所述原子钟的综合性能。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述综合评估模块包括：

存储单元，用于存储长期稳定度和短期稳定度与性能评分的对应关系；

计算单元，用于根据所述对应关系，将所述第一处理单元和所述第二处理单元计算出的长期稳定度和短期稳定度转换为性能评分，并计算性能评分之和，以表示所述原子钟的综合性能。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述综合评估模块还包括：

显示单元，用于显示所述性能评分之和。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述显示单元为显示器。

5.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述第一处理单元，包括：

积分电路，用于将所述相位比较电路的输出转换为电压信号；

模数转换电路，用于以T为周期对所述电压信号进行采样，将采样的所述电压信号转换为数字信号，得到多个采样点；

处理电路，用于按采样时间顺序每隔N个点取一个采样值，根据采样值计算频差，根据所述频差及阿仑方差计算公式或哈达玛方差计算公式计算所述长期稳定度。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述第一处理单元为计算机。

7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述T为10S。

8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述N为1000。

9.根据权利要求1至4任一项所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元，用于：

根据所述鉴频曲线确定吸收因子、调制深度和线宽；

利用信噪比S/N理论计算公式及所述吸收因子、调制深度和线宽，计算系统的信噪比；

根据所述系统的信噪比计算所述原子钟的短期稳定度。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述第二处理单元为计算机。