CN107219750A - 改善原子钟稳定度的延时线实时噪声修正方法 - Google Patents

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Abstract

一种改善原子钟稳定度的延时线实时噪声修正方法，包括原有的闭环锁定系统的频率信号输出端即功分器的另一输出端设置延时线，该延时线之后连接一个调制器)；输出微波信号；计算出误差信号转化成对应的电压；延时一个鉴相周期Tc输出；处理得出误差频率信号输出修正后的相对频率起伏信号y′i‑1。本发明可以改善喷泉钟的稳定度，还获得喷泉钟占空比对稳定度的影响，占空比越大，鉴相能力越强，稳定度越好。

Description

改善原子钟稳定度的延时线实时噪声修正方法
技术领域
本发明涉及原子钟，特别是一种改善原子钟稳定度的延时线实时噪声修正方法，并且可以清晰地观察到喷泉钟占空比对喷泉钟的影响。
背景技术
原子钟应用于时间的计量，可以看作是本机振荡器和量子系统的组合。在锁定环路中，晶振作为参考源为微波综合器提供信号，微波综合器输出的微波信号经由原子钟的量子系统鉴频，原子的跃迁几率差反映了鉴频输出的频率误差信号，再将误差信号转换成电压信号反馈给晶振，实现整个环路的锁定。
在闭环锁定的情况下，原子钟的长期稳定度受限于各种物理效应的影响。对锁定之后的信号进行噪声修正的后处理对于改善原子钟稳定度具有重要意义。
传统的原子钟把探测到的频率误差信号直接反馈给本机振荡器，降低频移的方法只能靠提高物理系统的性能和对原子及其所处环境的更精准的控制，采用后处理的方式对最终输出的信号的噪声的降低，但这些后处理的方法存在时延性，没有一种很好的改善稳定度的实时噪声补偿方法。
发明内容
本发明的目的在于解决上述现有技术的局限，提出一种改善原子钟稳定度的延时线实时噪声修正方法。该方法可以改善喷泉钟的稳定度，还获得喷泉钟占空比对稳定度的影响，占空比越大，鉴相能力越强，稳定度越好。
本发明的技术解决方案如下：
一种改善原子钟稳定度的延时线实时噪声修正方法，该方法包括以下步骤：
①在原有的闭环锁定系统的频率信号输出端即功分器的另一输出端设置延时线，该延时线之后连接一调制器；
②开启原子钟，使原子钟连续运行，本机振荡器输出端输出的微波频率信号经所述的微波综合器、功分器后分为两路输出微波信号；
③一路微波信号经原子钟鉴频后的误差信号输入所述的计算机，由计算机计算出误差信号转化成对应的电压，并通过反馈控制电路给本机振荡器的电压控端，将本机振荡器的输出频率锁定在原子钟的钟频率上，实现闭环锁定，此时所述的微波综合器输出的频率稳定度反映了原子钟的稳定度；
④所述的功分器的另一路输出相对频率起伏信号yi的平均值经所述的延时线延时一个鉴相周期Tc甚至更多输出；其中，是相对频率起伏信号，f0为原子钟的原子跃迁频率，fi为微波综合器输出频率；
⑤经延时线延时后上一周期的相对频率起伏信号平均值和由计算机处理得出误差频率信号同时输入所述的调制器中，所述的调制器按下列公式进行噪声后处理修正，输出修正后的相对频率起伏信号
其中：d是占空比，Tr是原子自由演化时间，TC是原子钟运行周期。
本发明的技术效果如下：
1、本发明由于运用了延时线实时噪声修正方法，使得原子钟的稳定度得到了明显改善。
2、本发明由于运用了延时线实时噪声修正方法，发现原子钟的频率稳定度与占空比的关系，占空比越大，稳定度越好。
附图说明
图1是本发明延时线实时噪声修正法系统框图；
图2是噪声离散化原理图。
图3是在模拟延迟线噪声修正得到的在不同占空比下与未加延时线噪声修正的频率稳定度结果，其中，图3(a)(b)(c)(d)分别为占空比d＝0.1，d＝0.5，d＝0.7，d＝1情形下利用延迟线噪声修正法得到的频率稳定度。
图4是延时线实时噪声修正法下稳定度与占空比d＝0.3,d＝0.6,d＝0.9，d＝1关系图。其中，(a)为在延时线实时噪声修正法下占空比d＝1频率稳定度曲线，(b)为在延时线实时噪声修正法下占空比d＝0.6频率稳定度曲线，(c)为在延时线实时噪声修正法下占空比d＝0.9频率稳定度曲线，(d)为在延时线实时噪声修正法下占空比d＝0.3频率稳定度曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明作进一步说明。
我们进行了数字模拟验证。一般情况下，最终输出信号的稳定度主要受本机振荡器和量子系统的噪声的影响。而本机振荡器所引入的噪声为白噪声，量子系统引入的噪声中量子投影噪声起主要作用，故在进行数字模拟时选取的噪声为白噪声，附加了量子投影噪声。量子投影噪声比白噪声小一个量级。图2是噪声离散化原理图。
在模拟实验当中，用stable32产生数组的大小都是106的两组噪声数组<yi>、<yi-Q>，考虑最简单的情况，<yi>、<yi-Q>的统计特性不随d变化，满足：
σy-MV(τ)＝2E-12τ-1/2σQPN(τ)＝4E-13τ-1/2
其中，σy-MV(τ)是整个系统中微波(本机振荡器、微波综合器)系统引入的噪声，σQPN(τ)是量子投影噪声，该噪声在整个量子系统引入的噪声中贡献最大。
对整个系统运行时间内的噪声数据做离散化处理，假设每个数据采样时间是1,原子钟的锁定周期为10，则一个锁定周期内共有10数据。对于占空比为d，喷泉钟每个周期鉴频的有效采样个数为10d。
本发明实施延时线噪声修正方法的具体步骤如下：
①该方法在已有的原子钟闭环锁定运行的基础上，对最终输出的频率信号进行修正，请参见图1，图1是本发明延时线实时噪声修正法系统框图，原子钟闭环锁定运行系统包括原子钟1、计算机2、反馈控制电路3、本机振荡器4、微波综合器5、功分器6，且计算机2能够可以实现多路输出，在原有的闭环锁定系统的频率信号输出端即功分器6的另一输出端设置延时线7，该延时线7之后连接一调制器8，开启原子钟1，使原子钟1连续运行；
②本机振荡器4输出端输出的微波频率信号经所述的微波综合器5、功分器6后分为两路；
③由功分器6输出的微波信号一路经原子钟1鉴频后的误差信号输入所述的计算机2，由计算机2计算出误差信号转化成对应的电压，并通过反馈控制电路3输入给本机振荡器4的电压控端，将本机振荡器4的输出频率锁定在原子钟1的钟频率上，实现闭环锁定，此时所述的微波综合器4输出的频率稳定度反映了原子钟1的稳定度；
④所述的功分器6的另一路输出相对频率起伏信号yi的平均值经所述的延时线(7)延时一个鉴相周期Tc甚至更多，输出上一周期的信号平均值其中，是相对频率起伏信号，f0为原子钟的原子跃迁频率，fi为微波综合器输出频率；
⑤该延时后的信号和由计算机(2)处理得出误差信号同时输入到所述的调制器(8)中，按下列公式进行噪声后处理修正输出：
其中：d＝Tr/Tc，d是占空比，Tr是原子自由演化时间，Tc是原子钟运行周期；
⑥整个系统持续运行，当原子钟(1)运行一段时间后，关闭整个系统；
⑦对系统运行时间内的经所述的调制器(8)修正后的噪声信号进行阿兰方差统计处理，获得稳定度。
在实际实验中可采用光纤作为延时线：
假设每个周期为1s，则理论上需要延时线的距离L：
L＝v×t＝2×108×1＝2×108m
将输出的信号噪声数据离散化处理，将每个锁定周期Tc均分为N等分，如图2所示，在模拟实验当中，用stable32产生数组的大小都是106的两组噪声数组<yi>、<yi-Q>，考虑最简单的情况，<yi>、<yi-Q>的统计特性不随d变化，满足：
σy-My(τ)＝2E-12τ-1/2σQPw(τ)＝4E-13τ-1/2
其中，σy-MV(τ)是整个系统中微波(本机振荡器、微波综合器)系统引入的噪声，σQPN(τ)是量子投影噪声，该噪声在整个量子系统引入的噪声中贡献最大。
对整个系统运行时间内的噪声数据做离散化处理，假设每个数据采样时间是1,原子钟的锁定周期为10，则一个锁定周期内共有10数据。对于占空比为d，喷泉钟每个周期鉴频的有效采样个数为10d。
鉴相时间Tr对应其中的M等分，因此占空比d在这里可以表示为d＝M/N。
其中：i是代表第几个周期，由于我们是要对所有的在系统运行时间的周期都要作上述的离散化处理，任何周期内公式都一样，为方便起见，我们用i来表示；
⑤该延迟后的信号及由计算机(2)处理得出误差信号输入到调制器(8)中，按下列方式进行噪声后处理修正：
其中：d＝Tr/Tc，d是占空比，Tr是原子自由演化时间，Tc是原子钟运行周期，表示在噪声模拟时模拟其他操作引入的附加噪声，如探测时引入的噪声；
⑥整个系统持续运行，当原子钟(1)运行一段时间后，关闭整个系统；
⑦对系统运行时间内的经调制器(8)修正后的噪声信号进行阿兰方差统计处理，获得稳定度。
其中：是噪声修正后的稳定度，是噪声未修正时系统的稳定度，是其他操作引入的噪声造成的稳定度影响。
模拟结果表明延时线实时噪声修正方法确实可以显著改善喷泉钟的频率稳定度。具体的结果如图3、图4所示，并且可以清晰地观察到随着占空比d的增大，稳定度逐渐改善，当d＝1时，改善最佳，长稳可以达到量子投影噪声极限。

Claims (1)

1.一种改善原子钟稳定度的延时线实时噪声修正方法，该方法包括以下步骤：
①在原有的闭环锁定系统的频率信号输出端即功分器(6)的另一输出端设置延时线(7)，该延时线(7)之后连接一个调制器(8)；
②开启原子钟(1)，使原子钟(1)连续运行，本机振荡器(4)输出端输出的微波频率信号经所述的微波综合器(5)、功分器(6)后分为两路输出微波信号；
③一路微波信号经原子钟(1)鉴频后的误差信号输入所述的计算机(2)，由计算机(2)计算出误差信号转化成对应的电压，并通过反馈控制电路(3)给本机振荡器(4)的电压控端，将本机振荡器(4)的输出频率锁定在原子钟(1)的钟频率上，实现闭环锁定，此时所述的微波综合器(4)输出的频率稳定度反映了原子钟(1)的稳定度；
④所述的功分器(6)的另一路输出相对频率起伏信号yi的平均值经所述的延时线(7)延时一个鉴相周期Tc甚至更多后输出，其中，是相对频率起伏信号，f0为原子钟的原子跃迁频率，fi为微波综合器输出频率；
⑤经延时线(7)延时后输出的上一周期的相对频率起伏信号平均值和由计算机(2)处理得出误差频率信号同时输入所述的调制器(8)中，所述的调制器(8)按下列公式对上个周期的相对频率起伏信号进行噪声后处理修正，输出修正后的相对频率起伏信号y′i-1：
<mrow> <msubsup> <mi>y</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mo>-</mo> <msubsup> <mi>dy</mi> <mi>i</mi> <mi>e</mi> </msubsup> </mrow>
其中：d＝Tr/TC，d是占空比，Tr是原子自由演化时间，TC是原子钟运行周期。
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