CN105743490A

CN105743490A - 铷频标漂移自检修复的方法、装置及设备

Info

Publication number: CN105743490A
Application number: CN201610068801.0A
Authority: CN
Inventors: 刘晓东
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2016-07-06

Abstract

本发明公开了一种铷频标漂移自检修复的方法、装置及设备，对于方法部分，至少包括：在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；然后通过稳定度测试仪获取漂移量df；然后通过A/D转化器获取C场电流量I；然后依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；然后将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；最后依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。本发明实现了通过外围检测环节探测频标自身的漂移量，在不影响整机短期频率稳定度指标的前提下，修正整机漂移，具有操作简单、适用性广的特点。

Description

铷频标漂移自检修复的方法、装置及设备

技术领域

本发明属于原子频标技术领域，特别涉及一种铷频标漂移自检修复的方法、装置及设备。

背景技术

现有技术中，一台频标长时间连续工作时，其输出频率值随着时间推移会缓慢地变化，甚至会单方向变化。对于原子频标而言称为单位时间内的漂移量称为漂移率，或老化率。频率漂移率是频标的一项重要指标，它表示一台频标在连续工作一段时间后，开始工作时频率准确度的能力。虽然从目前的本领域的科研探讨方面看，有许多减小漂移的方法，但是对于固定的一台频标而言，长期工作后仍然会有漂移现象，对于多台频标而言，由于不同的物理系统、不同的电路结构或者是电路性能，所以很难用同一方法对漂移进行修正，而是需要针对某一台具体的物理系统和电路内部的结构来采取不同的方法来修正。鉴于此，如何提出一种智能化的铷频标漂移自检修复方法，使其通过外围检测环节探测频标自身的漂移量，在不影响整机短期频率稳定度指标的前提下，修正整机漂移，是本发明继续解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种铷频标漂移自检修复的方法、装置及设备，解决了或部分解决了现有技术中的上述技术问题。

依据本发明的一个方面，本发明提供了一种铷频标漂移自检修复的方法，包括：在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；通过稳定度测试仪获取漂移量df；通过A/D转化器获取C场电流量I；依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。

可选的，由所述微处理器输出修正量小于通过稳定度测试仪所获取的所述漂移量df。

可选的，由所述稳定度测试仪所获取的所述漂移量df以日为单位，并通过RS232口传递给所述微处理器。

可选的，包括：预设模块，被配置为在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；第一获取模块，被配置为通过稳定度测试仪获取漂移量df；第二获取模块，被配置为通过A/D转化器获取C场电流量I；第三获取模块，被配置为依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；对比模块，被配置为将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；修正模块，被配置为依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。

可选的，所述修正模块具体为：由所述微处理器输出修正量小于通过稳定度测试仪所获取的所述漂移量df。

可选的，所述第一获取模块具体为：由所述稳定度测试仪所获取的所述漂移量df以日为单位，并通过RS232口传递给所述微处理器。

可选的，包括：铷原子频标物理系统；隔离放大器，所述隔离放大器与所述铷原子频标物理系统连接；稳定度测试仪，所述稳定度测试仪与所述隔离放大器连接，且所述稳定度测试仪接收高稳时钟信号；微处理器，所述微处理器与所述稳定度测试仪连接；D/A转换器，所述D/A转换器与所述微处理器连接，磁场恒流源驱动模块，所述磁场恒流源驱动模块分别与所述D/A转换器和所述铷原子频标物理系统连接。

可选的，所述磁场恒流源驱动模块包括：恒流源调整器；磁场线圈，所述磁场线圈与采样电阻连接，以输出采样电压；运算放大器，所述运算放大器与所述磁场线圈连接，以接收所述采样电压并放大；差分放大器，所述差分放大器分别与所述运算放大器、所述恒流源调整器和所述微处理器连接。

可选的，所述采样电阻是由锰铜材料制作而成。

可选的，所述差分放大器是选用精密运放Op07；和/或，所述运算放大器是选用低噪声运放AD797。

有益效果：

本发明提供的一种铷频标漂移自检修复的方法、装置及设备，对于方法部分，通过首先在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；然后通过稳定度测试仪获取漂移量df；然后通过A/D转化器获取C场电流量I；然后依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；然后将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；最后依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。实现了通过外围检测环节探测频标自身的漂移量，在不影响整机短期频率稳定度指标的前提下，修正整机漂移，具有操作简单、适用性广的特点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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为本发明实施例提供的铷频标漂移自检修复的设备的整体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的铷频标漂移自检修复的设备中，磁场恒流源驱动模块的整体结构框图；

图3为本发明实施例提供的铷频标漂移自检修复的方法的整体流程示意图；

图4为本发明实施例提供的铷频标漂移自检修复的装置的整体结构框图；

图5为本发明实施例提供的铷频标漂移自检修复的设备中，由螺旋管电流的方式制备磁场的原理结构示意图；

图6为本发明实施例提供的铷频标漂移自检修复的设备中，磁场恒流源驱动模块的内部电路原理图；

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围；其中本实施中所涉及的“和/或”关键词，表示和、或两种情况，换句话说，本发明实施例所提及的A和/或B，表示了A和B、A或B两种情况，描述了A与B所存在的三种状态，如A和/或B，表示：只包括A不包括B；只包括B不包括A；包括A与B。

同时，本发明实施例中，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本发明实施例中所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明目的，并不是旨在限制本发明。

参见图1-图2，本发明的一个实施例提出了一种铷频标漂移自检修复的设备，包括：铷原子频标物理系统101；隔离放大器102，所述隔离放大器102与所述铷原子频标物理系统101连接；稳定度测试仪103，所述稳定度测试仪103与所述隔离放大器102连接，且所述稳定度测试仪103接收高稳时钟信号；微处理器104，所述微处理器104与所述稳定度测试仪103连接；D/A转换器105，所述D/A转换器105与所述微处理器104连接，磁场恒流源驱动模块106，所述磁场恒流源驱动模块106分别与所述D/A转换器105和所述铷原子频标物理系统101连接。

具体而言，铷原子频标物理系统101输出信号(整机频率)经隔离放大器102后，一路用作输出用，另一路送至频率漂移、稳定度测试仪103中，与高稳时钟信号做对比，得出原始频差Δf，假如铷频标的输出频率值不变的话，即不存在频率漂移因素，则Δf就为定值，一旦存在漂移则Δf发生变化，这也就是在本发明实施例中所谓的频率稳定度及漂移测试的依据。值得一提的是，本发明实施例中频标的漂移量以日为单位，频率漂移、稳定度测试仪103以日为单位将铷原子频率的漂移量通过RS232口传递给微控制器104。

需要说明的是，集成泡中的铷原子的基态超精细0-0跃迁频率即是铷原子频标的鉴频参考频率f₀。集成滤光共振泡内的铷原子运动方向是杂乱无章的，加上一个固定电流大小及方向的磁场(即C场)，能够很好的起到“原子分裂”及“量子化轴”的作用。对于⁸⁷Rb原子非0－0跃迁而言，其频率对磁场H较为敏感，而对于0－0跃迁而言，其频率f₀仅与H的二次方成正比，与H的一次方无关，对外界磁场较不敏感，即：f＝f₀+574.14H²，此公式在本发明实施例中可作为式1。式1中f₀为外界磁场为零时的频率，f是外界磁场为H时的共振频率。式1中H(磁场)的单位为“高斯”，f(共振频率)的单位为“赫兹”。在式1中对H进行求导得df＝1148.28HdH，此公式在本发明实施例中可作为式2。式2两边除以原子共振中心频率f₀，对于铷原子频标而言，本发明实施例取f₀＝6834.6875MHz，则有df/f0＝1.68×10-7HdH，此公式在本发明实施例中可作为式3，式3左边代表原子频标的频率稳定度，而右边反映了腔泡系统中总磁场大小的变化。同时，本发明实施例中，在被动型铷原子频标中，系统所需C场的制法采用螺旋管电流方式，可如图5所示。根据右手螺旋定则，电流产生的磁场方向可以方便地给出。其大小可用下列公式计算：)，此公式在本发明实施例中可作为式4。其中，n为线圈单位长度匝数，I为通电电流，为一常数值10－7。通电螺线管轴线上离中心点x处点A，

{cosβ}_{1} = \frac{x + \frac{L}{2}}{\sqrt{R_{1}^{2} + {(x + \frac{L}{2})}^{2}}}, {cosβ}_{2} = \frac{x - \frac{L}{2}}{\sqrt{R_{1}^{2} + {(x - \frac{L}{2})}^{2}}};

对于线圈单位长度匝数n，假设实际C场绕线的圈数为m，绕线的半径为r，则相应的n计算公式为：此公式在本发明实施例中可作为式5。采用国际单位制，式4及5中各参数的单位如下：磁感应强度(H)：特斯拉、电流强度(I)：安培、长度单位(L、R1、x)：米。需要指出的是，式1中所提及的磁感应强度H，用“高斯”作单位，转换关系是：1特斯拉＝104高斯。

最后，根据公式3和4就可以得出相应的“漂移量df－C场电流量I”的对应关系，其中漂移量通过频率漂移、稳定度测试仪103测量得到，通过串行通讯方式传递给微处理器104；而C场电流量I通过A/D转换器采集采样电阻上的电压量来反映给微处理器104，这样在微处理器104内部就可以建立一个“漂移量df－C场电流量I”参照量表。微控制器104根据事先存储的“漂移量df－C场电流量I”参照量，选择相应的D/A电压控制量数字式设定值经D/A模块后送至磁场恒流源驱动模块106中。需要注意的是，此时微控制器104每一次输出的修正量要远小于频率漂移、稳定度测试仪103检测出的铷原子频率漂移量，因为过大的修正极有可能造成铷频标输出频率的跳变，从而影响整机的短期频率稳定度指标。举个例子：对于一台高精稳的铷原子频标而言，假定它的日稳定度及日漂移为1E－14量级，那么每次的修正量应该远小于1E－14，可以选择5E－15进行修正。

在本发明实施例中，对于磁场恒流源驱动模块106而言，请继续参见图2所示，所述磁场恒流源驱动模块106至少包括：恒流源调整器1065；磁场线圈1062，所述磁场线圈1062与采样电阻1061连接，以输出采样电压；运算放大器1063，所述运算放大器1063与所述磁场线圈1062连接，以接收所述采样电压并放大；差分放大器1064，所述差分放大器1064分别与所述运算放大器1063、所述恒流源调整器1065和所述微处理器104连接。

其中，对于磁场恒流源驱动模块106的内部电路结构，请详细参阅图6所示，具体为：U1(LM350A)为恒流源调整器1065，是恒流源的核心部件。负载(磁场线圈1062)电流经采样电阻R5，产生微弱的采样电压，经过超低噪声运算放大器U2(即运算放大器1063)同相放大。放大的电压信号送往由U3组成的差分放大器(即差分放大器1064)的负端。差分放大器把负端采样电压与正端的微处理器104设定电压的差值进行放大，输出到恒流源调整器1065的调整端，形成闭环反馈。若有某种情况使负载电流增加，则采样电阻1061上的电压增加，使同相放大器U2输出电压变大，差分放大器输出电压减小，调整器调整端电压减小，调整器输出电压变低，使负载电流减小,从而维持了负载电流的动态稳定，反之亦然。

因此，本领域技术人员显然可以理解，差分放大器的正端微处理器设定值决定了负载电流的大小。若U3正端电压升高，即微处理器104设定值升高，则调整器调整端电压升高，调整器输出电压升高，负载电流增加，同相放大器输出增加，差分放大器负端电压升高，直到U3正负端电压相等，系统再次动态稳定。可如图6所示，采样电阻1061串联在负载回路内，并由此检测负载电流变化。因此，采样电阻1061的稳定性将直接影响到恒流源的性能，且采样电,1061还应有足够大的功率，否则也会影响恒流源的性能甚至烧坏。

作为优选，在本发明实施例中，采样电阻1061是选用大功率锰铜材料制成的精密电阻。运算放大器1063是选用超低噪声运放AD797，因为它处于闭环反馈的第一级，所以要尽量减小噪声的影响。差分放大器1064是选用高精度运放OP07，提供高精度的比较结果。D4是为了防止引线较长使线路中出现反向感应电压而损坏电路。加上D4可使反向感应电压经过D4构成闭合回路，从而保护电路。

另外，请参阅图3所示，本发明的又一实施例，还提供的一种铷频标漂移自检修复的方法，至少包括如下步骤：

步骤201，在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；

步骤202，通过稳定度测试仪获取漂移量df；

步骤203，通过A/D转化器获取C场电流量I；

步骤204，依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；

步骤205，将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；

步骤206，依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。

作为优选，在步骤206中，由所述微处理器输出修正量小于通过稳定度测试仪所获取的所述漂移量df。

作为优选，在步骤202中，由所述稳定度测试仪所获取的所述漂移量df以日为单位，并通过RS232口传递给所述微处理器。

同时，请参阅图4，与上述方法实施例相对于，本发明的在一实施例还提供了一种铷频标漂移自检修复的装置，至少包括：预设模块310，被配置为在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；第一获取模块302，被配置为通过稳定度测试仪获取漂移量df；第二获取模块303，被配置为通过A/D转化器获取C场电流量I；第三获取模块304，被配置为依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；对比模块305，被配置为将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；修正模块306，被配置为依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。作为优选，所述修正模块具体为：由所述微处理器输出修正量小于通过稳定度测试仪所获取的所述漂移量df。所述第一获取模块具体为：由所述稳定度测试仪所获取的所述漂移量df以日为单位，并通过RS232口传递给所述微处理器。

本发明提供的一种铷频标漂移自检修复的方法、装置及设备，对于方法实施例部分，通过首先在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；然后通过稳定度测试仪获取漂移量df；然后通过A/D转化器获取C场电流量I；然后依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；然后将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；最后依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。实现了通过外围检测环节探测频标自身的漂移量，在不影响整机短期频率稳定度指标的前提下，修正整机漂移，具有操作简单、适用性广的特点。

需要特别说明的是，本发明的方法实施例和装置实施例，均与本发明的设备实施例相对应，方法实施例和装置实施例未详述部分，请参阅设备实施例。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上对本发明所提供的铷频标漂移自检修复的方法、装置及设备，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种铷频标漂移自检修复的方法，其特征在于，包括：

在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；

通过稳定度测试仪获取漂移量df；

通过A/D转化器获取C场电流量I；

依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；

将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；

依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。

2.如权利要求1所述的一种铷频标漂移自检修复的方法，其特征在于，

由所述微处理器输出修正量小于通过稳定度测试仪所获取的所述漂移量df。

3.如权利要求1所述的一种铷频标漂移自检修复的方法，其特征在于，

由所述稳定度测试仪所获取的所述漂移量df以日为单位，并通过RS232口传递给所述微处理器。

4.一种铷频标漂移自检修复的装置，其特征在于，包括：

预设模块，被配置为在微处理器中预设漂移量df－C场电流量I的标准标识信息；

第一获取模块，被配置为通过稳定度测试仪获取漂移量df；

第二获取模块，被配置为通过A/D转化器获取C场电流量I；

第三获取模块，被配置为依据所述漂移量df和所述C场电流量I获取漂移量df－C场电流量I的基础标识信息；

对比模块，被配置为将所获取的所述漂移量df－C场电流量I的基础标识信息，与预设的所述漂移量df－C场电流量I的标准标识信息进行对比；

修正模块，被配置为依据对比结果，由所述微处理器输出修正量修正整机漂移。

5.如权利要求4所述的一种铷频标漂移自检修复的装置，其特征在于，所述修正模块具体为：

6.如权利要求4所述的一种铷频标漂移自检修复的装置，其特征在于，所述第一获取模块具体为：

7.一种铷频标漂移自检修复的设备，应用于权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，包括：

铷原子频标物理系统；

隔离放大器，所述隔离放大器与所述铷原子频标物理系统连接；

稳定度测试仪，所述稳定度测试仪与所述隔离放大器连接，且所述稳定度测试仪接收高稳时钟信号；

微处理器，所述微处理器与所述稳定度测试仪连接；

D/A转换器，所述D/A转换器与所述微处理器连接，

磁场恒流源驱动模块，所述磁场恒流源驱动模块分别与所述D/A转换器和所述铷原子频标物理系统连接。

8.如权利要求7所述的一种铷频标漂移自检修复的设备，其特征在于，所述磁场恒流源驱动模块包括：

恒流源调整器；

磁场线圈，所述磁场线圈与采样电阻连接，以输出采样电压；

运算放大器，所述运算放大器与所述磁场线圈连接，以接收所述采样电压并放大；

差分放大器，所述差分放大器分别与所述运算放大器、所述恒流源调整器和所述微处理器连接。

9.如权利要求8所述的一种铷频标漂移自检修复的设备，其特征在于，

所述采样电阻是由锰铜材料制作而成。

10.如权利要求8所述的一种铷频标漂移自检修复的设备，其特征在于，

所述差分放大器是选用精密运放Op07；

和/或，

所述运算放大器是选用低噪声运放AD797。