CN107493102B - 一种对被动型原子钟数字化锁相处理的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对被动型原子钟数字化锁相处理的新方法，分别对被动型原子钟内激励的低频调制信号以及物理部分的误差反馈信号进行高精度的数字化处理，实现对“最大能级跃迁概率点”(如被动型铷原子钟中的光检测信号最低点)以及低频调制信号零调频点的捕捉，进而得到这两点的时间差，再根据时间与频率偏差之间的关系得到VCOCXO的频差，同时测定两个“最大能级跃迁概率点”之间的时间间隔τ，获得相位差变化信息ΔT，在获得了累积的相位差变化后，实现被动型原子钟高精度数字化锁相技术。本发明不但能在很大程度上简化被动型原子钟的内部线路，而且能从原理上改变被动型原子钟的频率稳定度随时间的变化规律，继而大幅度提高其频率稳定度和相关技术指标。
Description
技术领域
本发明属于时间频率测量与控制、精密频标技术领域，尤其涉及一种提高被动型原子钟频标稳定度的方法。其应用包括时间频率标准器、精密导航定位、大地测量、通讯网同步、以及大量的基础科学技术等领域。
背景技术
高精度的原子钟在各个高技术领域以及工程应用领域具有重要的作用并且市场越来越大。目前，原子钟向高性能和小型化发展，国内已研制出被动型CPT钟，由于它不需要微波腔及其相关部件，体积可做小，成为芯片型原子钟。但目前被动型原子钟仍然存在一些问题，典型的被动型原子钟的跃迁信号谐振谱线的Q值明显高于晶体器件，它们的结合从理论上可以得到更好的频率稳定度和相位噪声指标，但是由于被动型原子钟的物理部分能级跃迁机制中相位关系复杂，并不具备控制环路中持续的相位连续性能，所以目前的被动型原子钟均采用锁频机制的闭环控制，其频率稳定度随着取样时间的变化是按照1/τ1/2的规律，这影响到钟的其它性能以及广泛的精密应用。而频率稳定度作为评价被动型原子钟的重要技术指标，是目前被动型原子钟发展的重要方向之一。因此更高精度的数字化相位处理应当被应用于被动型原子钟的改进中，以期提高其稳定度的技术指标。大量研究发现，在对原子钟物理部分的调频激励过程中激励信号会重复出现瞬间与原子能级跃迁频率吻合的现象，此时原子能级跃迁产生最大概率，也就反映出对应能级跃迁的频相关系的一致性和激励信号具有的准确频偏以及它们之间的相位相关性。本方法通过分析物理部分“最大能级跃迁概率点”的调制域特性，根据原有的物理装置得到的频差与时间间隔信息得到相位差变化信息，进而形成对原子钟输出部分晶体振荡器的相位控制信息，用锁相的方式实现对晶体振荡器输出信号频率的控制。这样的转变使得物理部分对晶体振荡器的控制由原来的闭环控制改为开环控制，如此便发挥了晶体振荡器本身稳定度随着比对时间间隔沿着1/τ规律变化的优势，达到输出频率更准确、稳定的目的。这项技术对原子钟技术的发展以及进一步光频标的发展都是很重要的途径，将对时频标准、精密导航定位、国防、电子、大地测量、通讯网同步等领域产生根本的技术促进作用。
现在的基准钟、广泛应用的工程应用钟、小型化的芯片钟多为被动型的原子钟，通过对国内外重要的原子钟研究的专家交流中，均一致的认为将被动型原子钟内部现有的锁频技术向锁相技术的转换，是其稳定度指标提高的重要途径。我国总体的原子钟研究和产业化方面与国外存在的差距已经制约了我国在计量、空间技术等基础领域的技术发展。数字化相位处理的被动型原子钟的实现，可以很好地解决传统原子钟所面临的问题，在频率稳定度，相位噪声及体积方面可以得到较大的改善，无疑会对我国的原子钟的研究、产业化技术发展缩短和消除与国际上的差距做出贡献。
发明内容
本发明的目的是提供一种对被动型原子钟数字化锁相处理的方法，不但能在很大程度上简化被动型原子钟的内部线路，而且能从原理上改变被动型原子钟的频率稳定度随时间的变化规律，继而大幅度提高其频率稳定度。
本发明的技术方案是：一种对被动型原子钟数字化锁相处理的方法，其特征在于，基于数字化处理的锁相过程如下：
将被动型原子钟的低频调制信号和物理部分的误差反馈信号通过数字电路进行处理，运用高精度的数字化处理技术，实现对最大能级跃迁概率点以及低频调制信号零调频点的捕捉，从而得到这两点之间的时间差t，根据这个时间差就可以确定调制电压的变化量进而得到VCOCXO的频差Δf，同时测定两个“最大能级跃迁概率点”之间的时间间隔τ，再通过公式(1)推算出频差△f对应的相位变化量△T，
在连续不断的测量控制过程中，可以得到间隔出现的相位差变化信息△T1，△T2，△T3…△TN，利用累积得到的相位差变化信息进行反馈控制，完成对被动型原子钟的锁相处理，实现被动型原子钟短、中期频率稳定度随取样时间变化由
向1/τ转化，大大提高被动型原子钟的短、中期稳定度。
所述的数字电路包括物理部分、晶体振荡器、MCU、A/D转换电路、D/A转换电路、误差反馈信号电路、低频调制电路；MCU根据A/D转换后的数据，处理得到低频调制信号的过零点，记录其时刻，同时记录误差反馈信号的最大能级跃迁概率点的时刻，求算两点之间的时间差t；同时测定两个“最大能级跃迁概率点”之间的时间间隔τ，然后进行一系列运算得到频差△f，推算出频差△f对应的相位差变化△T，并控制D/A转换电路输出压控电压，实现外部接口的输入输出功能；在A/D转换的过程中，转换电压的量化值是阶梯式上升的，并选取量化台阶的边沿提高量化的准确度。
原子钟物理部分与晶体振荡器是开环控制，原子钟物理部分给出了振荡器的准确频差，晶体振荡器根据物理部分检测到的频差信息，进而根据恢复得到的相位差变化信息完成的相位控制来保持稳定度随着比对时间沿着1/τ的变化规律，按照相位处理的途径实现锁相控制；其中晶体振荡器锁定改正的过程与原子钟物理部分隔离，物理部分的跃迁相位不连续这个因素没有传递到振荡器上。
本发明数字化锁相处理方法能够有效提高原子谐振器频率传递的稳定度和准确度。一方面，将传递过程的白频率噪声减小，使白相位噪声在电路中起主要作用，这时原子钟的频率稳定度就会随时间按照1/τ的变化规律，晶振输出频率的稳定性更好；另一方面，降低物理效应(如铯钟的腔相移、二级多普勒效应和majorana效应)对原子钟准确度的限制作用，在原子钟内部，物理效应最终会伴随着系统的噪声一起作用于晶振输出，当系统中的白频率噪声被减弱，相应的物理效应起的作用也能被系统弱化，原子钟的本底随之降低，从而提高晶振输出频率的准确度。
附图说明
图1是晶体振荡器频率稳定度随时间变化曲线。
图2是被动原子钟频率稳定度随时间变化曲线。
图3是数字化锁相处理后的被动型原子钟频率稳定度随时间变化曲线。
图4是传统被动型原子频标在不同调制情况下的光检测图。
图5是间断出现的“最大能级跃迁概率点”时间—频差关系图。
图6是信号的幅度、频率和时间构成的三维信号空间。
图7是被动型原子钟数字化锁相处理实现框图。
图8根据ADC转换结果绘制的光检测与低频调制信号波形。
图9是示波器显示的低频调制与光检测信号。
具体实施方式
传统的原子钟物理部分与晶体振荡器实现了闭环控制，但是本专利对于物理部分的介入和对于晶体振荡器的控制来说是开环的，原子钟物理部分主要给出了振荡器的准确频差，振荡器根据物理部分检测到的频差信息，进而根据恢复得到的相位差变化信息完成的相位控制来保持稳定度随着比对时间沿着1/τ的变化规律，按照相位处理的途径实现锁相控制。需要注意的是，本专利中晶体振荡器锁定改正的过程与原子钟物理部分隔离，因此，物理部分的跃迁相位不连续等因素没有传递到振荡器上。该方法的核心是实现被动型原子钟短期频率稳定度随取样时间变化由
向1/τ转化。用这样的方法可以大大提高被动型原子钟的短、中期稳定度。
传统晶体振荡器频标稳定度(如图1)在短时间内符合1/τ的变化规律，随着时间的增长，其频率稳定度曲线会逐渐回升，最终趋于平缓；锁频实现的被动型原子钟的频标稳定度(如图2)和晶体振荡器相比，从低频调制周期到数秒，钟的频标稳定度是下降的，而数秒到更长的时间钟的频标稳定度是按照
的规律改进的；而对于本专利中数字化锁相处理的被动型原子钟，锁相处理引入的白相位噪声使其频标稳定度(如图3)能够一直保持1/τ的变化规律。被动原子钟锁频处理转锁相处理的实现提高了被动原子钟的频率稳定度。
本发明所述的具有保持被动型原子钟频标高稳定度的方法，是利用间隔连续的频差测量恢复相位的技术实现对相位差变化信息高精度的获取(虚拟重建)，利用间隔的相位差变化信息实现被动型原子钟的相位处理。该方法的核心是实现频率的连续不间断测量，同时记录和恢复被测信号相位的周期连续变化特性。通过这种可以恢复被测信号相位信息的方法可以大幅度提高测量的分辨率。下面以被动型铷原子钟为例，就本专利的数字化锁相处理进行简单说明：
被动型铷原子钟激励信号由VCOCXO经过合成变换以及低频调制形成，其频率时刻发生变化，导致激励产生的原子能级跃迁概率不断发生变化，从而使得其物理部分输出信号的相位难以保证完全连续，因此传统的方法难以实现被动型原子钟相位处理技术。根据课题组多年对频率—相位间关系的研究表明：在连续的频率测量及控制过程中，如果能够精确地得到频差Δf以及两个“最大能级跃迁概率点”之间的时间间隔τ，就能够通过公式(1)精确地计算得到相位差的变化ΔT。
在连续不断的测量控制过程中，可以得到间隔出现的相位差变化信息△T1，△T2，△T3…△TN，在不间断的处理过程中，就可以累计得到相位变化，运用这样的相位变化反馈控制就能够实现相位控制，因此高精度的利用光检测信号获取VCOCXO的频差以及时间信息得到相位差信息，利用此相位差信息完成被动型原子钟相位控制实现被动型原子钟锁相处理是可行的方案。
如图4所示，表示出了在激励信号中心频率值发生变化时的光检测图，在原子钟锁定初期，VCOCXO信号频差较大即控制信号中心频率值偏差较大，可能出现如图4中①—②，③—④两种代表的情况，在经过频率锁定后，理想状态下，激励信号的中心频率始终处于f0处即处在⑤—⑥位置处，但这样的理想状态必须在持续的控制下才能达到，中心频率不可能长期稳定的处于f0处，因此出现微小频差时，如图4所示，当实际频率值略大于f0时，如图中虚线信号所示，其光检测信号变为不规则信号，但由于频差较小，在整个控制信号的运行周期内，f0虽然不是其中心频率值，但仍然会间隔出现，即原子能级跃迁的确定的“最大能级跃迁概率点”均能够出现，在连续的时间上，根据“最大能级跃迁概率点”出现的位置、低频调制信号0调频点、调制信号与光检测信号间的对应关系以及被动型原子钟鉴频曲线，能够高精度的得到激励信号中心频率与标准频率间的频差△f。
在两次连续的过程中，如图5中方形区域所示，连续的两次相关“最大能级跃迁概率点”出现的时间间隔即为τ。理论上，当中心频率等于原子能级跃迁的最大概率点所对应的频率时，光检电流最小，即在上图中，低频调制与f0的交叉点处，光检测波形处于其最低点。当中心频率与f0不存在频差时，此时低频调制信号的过零点应该严格对应于光检测输出的波形最低点；当中心频率与存在频差为Δf时，此时光检测输出波形的最低点与低频调制的过零点之间存在一个时间差，记作t。根据对应关系，可知△f与t之间的关系为：
式(2)中，kf是调制灵敏度，UΩ是调制信号的振幅，f是低频调制信号的频率。根据上式，测量低频调制信号的过零点和光检测输出的最低点之间的时间差t就可得出Δf。
在整个锁相的过程中，其信号的幅度、频率和时间构成的三维信号空间如图6所示，图中清晰的指出了信号的频率随着时间的变化，即锁定完成的过程，在这样的间隔的测量过程中，间隔的利用测量时间与频差Δf得到的ΔT完成对于信号的锁定。
根据对相位锁定过程分析，在整个调制过程中，以铷原子钟为例，铷原子钟锁定周期长度约为8ms，即图5中τ+Δτ的值接近于8ms。这里,对应于低频调制周期的时间间隔测量的分辨率提出了较高的要求。
在整个控制过程中，高精度的获取频差Δf和时间间隔τ是被动型原子钟相位控制技术实现的关键，通过图5可知，当处于微小频差时，光检测信号处于不规则状态，使得“最大能级跃迁概率点”的位置在时间上发生变化，因此在这里采用数字化的方式实现对“最大能级跃迁概率点”的捕捉以及时间间隔的测量。鉴于锁相处理的鲁棒性较差，在锁定初期，仍采用锁频的方式，将压控晶体振荡器频率控制到频差较小的状态后实现向锁相处理的切换。
在经过初步的锁频处理后，在频差较小的情况下，锁频线路难以捕捉到频差信息，在这时转用数字化的锁相处理。分别对调制信号以及光检测信号进行直接数字化转换后，运用高精度的数字化处理技术，实现对“最大能级跃迁概率点”以及低频调制信号零调频点的捕捉，从而通过高精度的数字化处理后，得到时间间隔，根据式(2)中时间与频率之间的关系得到VCOCXO的频差，同时测定两个“最大能级跃迁概率点”之间的时间间隔τ，即可以通过公式(1)获得ΔT，在获得了间隔的相位差变化信息后，根据高精度数字化的相位处理技术即可以实现被动型原子钟高精度数字化锁相技术。这种测量主要考虑时差测量的严格、稳定的周期性，这是保证钟稳定度的简单方法，利用现成的调制信号和光检测输出信号捕捉到含有频偏信息的关键点，这样可以保证改造后的原子钟较传统的途径在硬件方面不会有太大的变化。以超高稳定度晶体振荡器为目的，新的原子-晶体振荡器，也是利用相位处理的原子谐振器。保证晶体振荡器沿着1/τ的原有规律，且准确度和其保持能力得到改善。和传统原子钟不同的地方，就是按照晶体振荡器稳定度变化的曲线的变化节点选择对于原子谐振器低频调制信号的周期，把晶体振荡器的1/τ的规律延伸下去。用这种方法控制的目的是对于VCOCXO的最佳稳定度(尤其关注原1/τ的转折点)，因此，关键在于对于控制电压生成方面，以稳定锁相为目的。测量目标是周期性的测量“最大能级跃迁概率点”，要求一致、平稳、不变，其好处是仅仅周期性、无间隔地测量光检测信号中的“最大跃迁概率频点”间的间隔来确定稳定锁定的情况。
被动型钟原子能级跃迁的“最大能级跃迁概率点”的间隔取样相当于主动型原子钟连续跃迁中的间隔取样的情况，这样在“最大能级跃迁概率点”发生的瞬间就有自然的标准与压控晶振对应的频率进行比对，从而得到实际的频率误差情况。这一点和传统的被动型原子钟中对光检测信号进行调制–解调获得频差的方法的相同之处是都能得到频差信息，区别在于后者是对平均值的控制，而跃迁概率的不确定性导致所得的平均频差信息不可能转化为对应的相位信息，而前者则是点对点的比对，同一点对应的跃迁概率一致，所以由这一点的频差值就能够得到其相位的变化信息。这里需要注意的是，对于相位比对和控制的完成，传统的方法是和一个参考的、频率源的标准相位进行不断地比较(主动型原子钟中就是这样)，但是本专利是使用频率信息来实现相位的处理。
MCU是本系统的核心部分之一，它统筹其它部分协调一致工作和进行运算，其它各部分都要受控于MCU。MCU负责的主要功能为：将ADC部分读取的数据进行一系列运算得到必要的参量(包括偏差△f和两个“最大能级跃迁概率点”之间的时间间隔τ)，推算出相位差变化△T并控制DAC输出压控电压，实现外部接口的输入输出功能。在对信号进行数字化转换中，带来了量化误差对测量的影响，鉴于原子钟中调制信号以及光检测信号均属于低频信号，在A/D转换的过程中，利用A/D转换的稳定度，使得转换电压的量化值是阶梯式上升的，研究表明选取量化台阶的边沿能够大幅度提高量化的准确度，减小量化误差带来的影响，对数字化锁相技术精度的提高有良好的促进作用。
这里的A/D采样使用的模数转换芯片具有快速且灵活的输出速率，根据ADC转换结果绘制的铷原子钟低频调制和光检测波形如图8，对比示波器直接采集的结果(图9)，可知ADC采样部分结果正确无误。
锁定时的低频调制信号和光检测信号示波器测到的波形如图9。
根据波形AD转换后的数据，取出低频调制信号的过零点，记录其时刻；同时记录光检测信号的最低点的时刻，求算低频调制信号的过零点与光检测信号的最低点之间的时间差t。
在锁相处理方面，由于被动型原子钟的原子能级跃迁激励信号由压控晶体振荡器经过变换以及低频调制形成，其频率时刻发生变化，因此也导致了原子能级跃迁的概率不断变化，物理部分输出的光检测信号也随之发生变化，单次测量到的光检测信号的初相位是一个波动量，所以显然直接利用单次测量得到的时间差数据转换成矫正电压来调整压控晶振的频率是不可行的，必须要对时间差数据进行平滑处理，求算在一次时间间隔τ内信号的相位差，也就是连续两次测得的相位差之差，这样就可以消除光检信号初相位不稳定造成的误差，得到的偏差数据才能换算成一个有效的矫正电压值进而作用于压控晶体振荡器。
本方法旨在改变原有被动型原子钟的锁定方式，实现锁相式的被动型原子钟，根据本技术的实现路线，称之为基于相位处理和控制的被动型原子钟。通过对被动型原子钟从瞬态一直到短期频率稳定度变化规律的探究，发现运用锁频处理使得其频率稳定度沿着
变化，因此实现被动型原子钟的锁相处理技术能能够显著改善其频率稳定度指标，同时通过对物理输出信号的分析，得到被动型原子钟物理输出由于受到低频调制信号的控制，使得其物理输出难以保证相位的完全连续，传统的相位处理技术难以应用于被动型原子钟的相位处理改进中，因此，提出了运用间隔连续的相位信息完成相位控制的方式实现被动型原子钟的锁相控制，根据相位信息获取的特殊性以及被处理信号的相位不连续性提出了运用数字化的相位处理技术实现，综合以上技术实现数字化锁相处理的被动型原子钟。
本专利可以构造新型数字化锁相环，对被动型原子钟的性能进行改进，例如铯原子钟，喷泉钟，被动型CPT钟等。被动型原子钟的环路设计主要是原子谐振器频率准确度和稳定度向锁定晶振的传递过程，而现有的原子钟准确度和稳定度仍然有提升的空间。
本专利的典型应用是对喷泉钟进行数字化锁相处理。通过对铯原子喷泉钟的研究，可以发现对微波激励信号的调制是由PC机控制的，喷泉钟的反馈信息在荧光信号中，由荧光信号可以得到精确的频差信息，利用连续频差测量恢复相位的技术实现对相位差的变化信息高精度的获取，从而对输出的被锁定的氢钟或晶体振荡器进行开环的相位处理，提高喷泉钟的频率稳定度。
Claims (3)
1.一种对被动型原子钟数字化锁相处理的方法，其特征在于，基于数字化处理的锁相过程如下：
将被动型原子钟的低频调制信号和物理部分的误差反馈信号通过数字电路进行处理，运用高精度的数字化处理技术，实现对最大能级跃迁概率点以及低频调制信号零调频点的捕捉，从而得到这两点之间的时间差t，根据这个时间差就可以确定调制电压的变化量进而得到VCOCXO的频差Δf，同时测定两个“最大能级跃迁概率点”之间的时间间隔τ，再通过公式(1)推算出频差△f对应的相位变化量△T，
在连续不断的测量控制过程中，可以得到间隔出现的相位差变化信息△T1，△T2，△T3…△TN，利用累积得到的相位差变化信息进行反馈控制，完成对被动型原子钟的锁相处理，实现被动型原子钟短、中期频率稳定度随取样时间变化由
向1/τ转化，大大提高被动型原子钟的短、中期稳定度。
2.如权利要求1所述的对被动型原子钟数字化锁相处理的方法，其特征在于，所述的数字电路包括物理部分、晶体振荡器、MCU、A/D转换电路、D/A转换电路、误差反馈信号电路、低频调制电路；
MCU根据A/D转换后的数据，处理得到低频调制信号的过零点，记录其时刻，同时记录误差反馈信号的最大能级跃迁概率点的时刻，求算两点之间的时间差t；同时测定两个“最大能级跃迁概率点”之间的时间间隔τ，然后进行一系列运算得到频差△f，推算出频差△f对应的相位差变化△T，并控制D/A转换电路输出压控电压，实现外部接口的输入输出功能；在A/D转换的过程中，转换电压的量化值是阶梯式上升的，并选取量化台阶的边沿提高量化的准确度。
3.如权利要求2所述的对被动型原子钟数字化锁相处理的方法，其特征在于，原子钟物理部分与晶体振荡器是开环控制，原子钟物理部分给出了振荡器的准确频差，晶体振荡器根据物理部分检测到的频差信息，进而根据恢复得到的相位差变化信息完成的相位控制来保持稳定度随着比对时间沿着1/τ的变化规律，按照相位处理的途径实现锁相控制；其中晶体振荡器锁定改正的过程与原子钟物理部分隔离，物理部分的跃迁相位不连续这个因素没有传递到振荡器上。
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