CN109188888B - 基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置及方法。其中，该实验装置基准电磁波时钟输入接口，其与基准电磁波时钟相连，以提供基准计时频率；原子钟电磁波源，其用来提供计时用的正弦电磁波；微波接收处理器，其与测量探头相连；所述测量探头用来接收原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率信号并传送至微波处理器，在所述微波处理器内采用李萨如图测量原子钟电磁波源与基准电磁波时钟之间的频率偏差；频率微调环，其为一圆形微波传输通道，且基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度。
Description
技术领域
本发明属于原子钟领域，尤其涉及一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置及方法。
背景技术
原子钟是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。由于这种电磁波非常稳定，再加上利用一系列精密的仪器进行控制，原子钟的计时就可以非常准确了。现在用在原子钟里的元素有氢(Hydrogen)、铯(Cesium)、铷(rubidium)等。原子钟为天文、航海、宇宙航行这些导航系统提供了强有力的保障。
根据原子物理学的基本原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的。这里电磁能量是不连续的。当原子的电子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波。这种电磁波特征频率是不连续的，这也就是人们所说的共振频率。同一种原子的共振频率是一定的—例如铯133的共振频率为9192631770Hz。因此铯原子便用作一种节拍器来保持高度精确的时间。目前国内铯原子钟达到的最高：5*10-13。
目前，原子钟被应用于导航系统中，而原子钟就需要用到原子钟的时钟频率来计时，原子钟的误差直接影响导航定位的精度。因此，为了提高原子钟的精度，亟需研发一种提高原子钟精度的装置来提高导航系统时间的准确性。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的第一目的是提供一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，其结构简单且能够显著提高原子钟的精度。
本发明的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，包括：
基准电磁波时钟输入接口，其用接收外部精准时钟电磁波，作为基准电磁波；
原子钟电磁波源，提供计时用的正弦电磁波，稳定高，精度高；
微波接收处理器，其与测量探头相连；所述测量探头用来接收原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率信号，并传送至微波处理器，在所述微波处理器内采用李萨如图测量原子钟电磁波源与基准电磁波之间的频率偏差；
频率微调环，其为一圆形微波传输通道，且基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度；
若原子钟电磁波源输出的频率大于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源，即沿逆时针方向在频率微调换滑动，由于多普勒效应，使接收到的频率比波源频率低；如果速度适当，正好抵消波源频率偏高基准时钟信号，接收到的电磁波信号频率比波源更接近基准时钟频率，计时精度得到提高；
若原子钟电磁波源输出的频率小于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源，即沿顺时针方向在频率微调换滑动，接近波源。由于多普勒效应，接收到的频率比波源频率高；如果速度适当，正好抵消波源频率偏低基准时钟信号，接收到的电磁波信号频率比波源更接近基准时钟频率，计时精度得到提高；
其中，圆形微波传输通道的半径和测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度均由原子钟电磁波源与基准电磁波频率偏差来确定。
进一步的，所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟输出的频率偏差与测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度之间的关系式为：
式中，v-测量探头离开波源的速度；c-电磁波的速度；z-波长相对变化量；λs--原子钟电磁波源的波长；λb---基准电磁波时钟输出的电磁波波长；fb-基准计时频率；fs-原子钟电磁波源的频率。
进一步的，所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与圆形微波传输通道的半径之间的关系式为：2πR＝vt；
式中，R-圆形微波传输通道的半径；v-测量探头相对于波源的，远离或接近波源的运动速度；t--测量探头沿圆形微波传输通道一周的时间。
进一步的，本发明提高原子钟精度的试验装置及方法可与不同特性原子构造的原子钟相匹配的电磁波频段、光波段。
其中，原子钟可为铯原子钟、氢原子钟微波段原子钟、及鍶原子钟或铝原子钟光波段原子钟。
进一步的，所述基于多普勒效应的提高原子钟精度的装置，还包括微波处理器；所述微波处理器用于接收频率微调环调整后微波信号，并转换成方波信号且传输至脉冲计数器内。
本发明利用方波信号来提高信号的振幅，进而增加相应驱动器件的驱动能力。
进一步的，所述脉冲计数器还与显示器相连，所述显示器用来显示当前时间信息。
其中，显示器可采用液晶显示器或数码管显示器来实现。
本发明的第二目的是提供一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验方法。
本发明的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验方法，包括：
利用原子钟电磁波源输出相应原子钟对应的频率信号；
将原子钟电磁波源输出的频率信号与基准电磁波时钟的频率信号作差，求出两者之间的频率偏差；
构建频率微调环，所述频率微调环为圆形微波传输通道，所述频率微调环基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度；其中，若原子钟电磁波源输出的频率大于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源；
若原子钟电磁波源输出的频率小于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源；
圆形微波传输通道的半径和测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度均由原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差来确定。
进一步的，所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与圆形微波传输通道的半径之间的关系式为：2πR＝vt；
式中，R-圆形微波传输通道的半径；v-测量探头离开波源的速度；t--测量探头沿圆形微波传输通道一周的时间。
进一步的，所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度之间的关系式为：
式中，v-测量探头离开波源的速度；c-电磁波的速度；z-波长相对变化量；λs--原子钟电磁波源的波长；λb ---基准电磁波时钟输出的电磁波波长；fb-基准计时频率；fs-原子钟电磁波源的频率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明利用原子钟电磁波源输出的频率与基准电磁波频率大小的比较，若前者大于后者，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源；若前者小于后者，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源；本发明基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波的频率偏差，最终达到提高原子钟精度的目的。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1是本发明的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置结构示意图。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
术语解释部分：
多普勒效应：多普勒效应Doppler effect是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的，他于1842年首先提出了这一理论。多普勒效应的内容为：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。多普勒效应指出，波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。
李萨如图：由在互相垂直的方向上的两个频率成简单整数比的简谐振动所合成的规则的、稳定的闭合曲线。
李萨如图，又称利萨茹(Lissajous)曲线，利萨茹图形、或鲍迪奇(Bowditch)曲线，是两个沿着互相垂直方向的正弦振动的合成的轨迹。
时间可以用长度来度量：
波长相对变化量Z：
其中，λ表示探头收到的波长；λ0表示波源的波长。
机械钟：质点的无阻尼自由振动：
如果能荷Q由质点的无阻尼自有振动产生，沿Y轴方向振动，符合余弦方式：
y＝A cos(ωt+θ) (2)
式中：A–为振幅；ω—振动角速度，θ–为初始相位角。
振动频率、周期稳定，可以根据振动次数，计量时间。
电子钟：用电子谐振频率来计时
计时器频率调整原理：
波动是振动状态的传播，相位传播。振源的能量以波速向外传递。假定介质中每个质量元彼此通过弹性力相联系，沿Y轴方向振动，沿X轴向传播。
波函数的一般表达式：
Y(x，t)＝A(x)cos(ω(x)t-kx) (3)
(3)式中：A(x)--波的振幅，通常随传播距离而衰减，是传播距离x的函数，k为波数，k＝2*π/λ；λ为波长。
ω(x)角速度，目前认为它不随传播距离变化，是不变量。
波函数在某一固定点，变现为正弦振动，可以用来计时。它的传播特性，可以用来调整时间误差。
其中，Δθ为相位差；
为传播距离为xb时的角速度。
如果时钟频率偏离标定频率，形成计时误差。
可以通过传播距离的时间来调整
其中，
为传播距离为xs时的角速度
原子钟包括铯原子钟、氢原子钟、鍶原子钟或铝原子钟。
本实施例以铯原子钟为例来详细说明：
如图1所示，本发明的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，包括：原子钟电磁波源，基准电磁波时钟输入接口、微波接收处理器和频率微调环。
原子钟电磁波源输入点固定在微波隔离器一侧，微波输出点按多普勒效应的补偿速度要求，沿频率微调环滑动。
其中：
(1)基准电磁波时钟输入接口
在本申请中，基准电磁波时钟输入接口也称之为基准原子钟外输入接口。
通过基准电磁波时钟输入接口，输入已调整、精度非常高的、稳定性很高的，可以作为时钟标准来标定原子钟。校对信号通过该接口提供精准时钟频率fb。
基准电磁波时钟频率由系统外基准原子钟的源提供，不在本发明范围内。
铯原子钟产生微波源，频率fs为：9192631770Hz/s，如果以完整周期为最小单位，它的精度或分辨率只有：1.087827757*10-10，，达不到精度5*10-13的要求。精度5*10-13的要求频率至少保留小数点后2位，如9192631770.xxHz/s。
以铯原子钟为例，例如：基准电磁波时钟频率fb为：9192631770.xxHz/s。
如果铯钟频率fs≧fb，(fb铯原子钟标准频率＝9192631770.xxHz/s)，则该原子钟所记时间就快。如满足目前误差：精度5*10-13的要求。
(2)微波接收处理器
微波接收处理器与测量探头相连；所述测量探头用来接收原子钟电磁波源与基准电磁波时钟频率信号并传送至微波处理器，在所述微波处理器内采用李萨如图测量原子钟电磁波源与基准电磁波时钟之间的频率极微小的偏差。
频率偏差Δf＝fs-fb；
一天内(24小时，每小时60分，每分钟60秒。一天所对应的秒数＝24*60*60)，一赫兹对应360°相位角，精度5*10-13的要求，形成的相位角Δθ；
Δθ＝360×24×60×60×5×10-13×9192631770＝1.429×105。
误差换算成周期：每小时快16.5周期，对应的时间差：1.787纳秒/小时。一天快397个周期。一天对应的时间差：4.318676196*10-8秒/天，即快43纳秒/天。
同样道理，满足精度5*10-13的要求，铯原子钟慢一点，换算成周期：每小时慢16.5周期，一天慢397个周期。每小时慢16.5周期，对应的时间差：1.787纳秒/小时。一天慢397个周期。一天对应的时间差：4.318676196*10-8秒/天，即快43纳秒/天。
(3)频率微调环
实验和理论上，频率改变的理论只有多普勒效应。多普勒效应：波源与观测者之间有一定相对速度移动，波的频率将发生变化。靠近时，频率升高；离开时，频率降低。频率的改变可以认为是调频率，调整频率的功能模块称为调频器，做成环状，称为频率微调环。
光速定义值:c＝299792458m/s，铯原子钟频率为：9192631770Hz/s，精度5*10-13的要求，对应时间差43纳秒/天，可以用多普勒效应来抵消。如果钟快，计时频率偏高，波源远离运动，来消除。若波源不动，可以移动接收探头；钟慢啦，计时频率偏低，可以用波源接近运动。当波源固定位置，可以让接收点缓慢移动，接近波源，抵消波源频率偏低的影响。达到消除波源频率偏离标准时钟频率，造成计时误差，从而，提高铯原子钟的计时精度。
在计时精度，也就是计时最小分辨率，实际上就是误差极限，在精度5*10-13，对应频率误差：每小时快16.5周期，对应的时间差：1.787纳秒/小时。多普勒效应对应的运动速度：0.53573米/小时。钟快，测量点远离波源。钟慢，测量点接近波源。补偿速度根据具体铯原子钟离散误差而定。误差大，补偿多普勒效应速度就大；反之，误差小，补偿速度就小。及运动速度的方向。
具体地，频率微调环，其为一圆形微波传输通道，且基于多普勒效应来消除铯原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度。
具体地，若铯原子钟电磁波源输出的频率大于基准电磁波时钟的频率输出的频率，则铯原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源，逆时针方向滑动；
若铯原子钟电磁波源输出的频率小于基准电磁波时钟输出的频率，则铯原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源，顺时针方向滑动；
其中，圆形微波传输通道的半径和测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度均由铯原子钟电磁波源与基准电磁波时钟频率偏差来确定。
而且，测量探头沿圆形微波传输通道运动的过程中，可以沿圆形微波传输通道逆时针运动，也可沿圆形微波传输通道顺时针运动。
具体地，铯原子钟电磁波源与基准电磁波时钟频率两者之间的频率偏差与测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度之间的关系式为：
式中，v-测量探头离开波源的速度；c-电磁波的速度；z-波长相对变化量；λs--原子钟电磁波源的波长；λb---基准电磁波时钟输出的电磁波波长；fb-基准计时频率；fs-原子钟电磁波源的频率。
铯原子钟电磁波源与基准电磁波时钟频率两者之间的频率偏差与圆形微波传输通道的半径之间的关系式为：2πR＝vt；
式中，R-圆形微波传输通道的半径；v-测量探头离开波源的速度；t--测量探头沿圆形微波传输通道一周的时间。
若原子钟为其他原子钟时，原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与圆形微波传输通道的半径以及测量探头在圆形微波传输通道上的运动速度与铯原子钟类似。
在另一实施例中，所述基于多普勒效应的提高原子钟精度的装置，还包括微波处理器；所述微波处理器用于接收频率微调环调整后微波信号，并转换成方波信号且传输至脉冲计数器内。
本发明利用方波信号来提高信号的振幅，进而增加相应驱动器件的驱动能力。
具体地，所述脉冲计数器还与显示器相连，所述显示器用来显示当前时间信息。
其中，显示器可采用液晶显示器或数码管显示器来实现。
本发明利用原子钟电磁波源输出的频率与基准电磁波时钟的频率大小的比较，若前者大于后者，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源；若前者小于后者，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源；本发明基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，最终达到提高原子钟精度的目的。
本发明还提供了一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验方法。
本发明的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验方法，包括：
利用原子钟电磁波源输出相应原子钟对应的频率信号；
将原子钟电磁波源输出的频率信号与基准电磁波时钟的频率信号作差，求出两者之间的频率偏差；
构建频率微调环，所述频率微调环为圆形微波传输通道，所述频率微调环基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度；其中，若原子钟电磁波源输出的频率大于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源；
若原子钟电磁波源输出的频率小于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源；
圆形微波传输通道的半径和测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度均由原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差来确定。
其中，所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度之间的关系式为：
式中，v-测量探头离开波源的速度；c-电磁波的速度；z-波长相对变化量；λs--原子钟电磁波源的波长；λb ---基准电磁波时钟输出的电磁波波长；fb-基准计时频率；fs-原子钟电磁波源的频率。
所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与圆形微波传输通道的半径之间的关系式为：
2πR＝vt；
式中，R-圆形微波传输通道的半径；v-测量探头离开波源的速度；t--测量探头沿圆形微波传输通道一周的时间。
本发明利用原子钟电磁波源输出的频率与基准电磁波时钟的频率大小的比较，若前者大于后者，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源；若前者小于后者，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源；本发明基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，最终达到提高原子钟精度的目的。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (5)
1.一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，其特征在于，包括：
基准电磁波时钟输入接口，其与基准电磁波时钟相连，以提供基准计时频率；
原子钟电磁波源，其用来提供计时用的正弦电磁波；
微波接收处理器，其与测量探头相连；所述测量探头用来接收原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率信号并传送至微波处理器，在所述微波处理器内采用李萨如图测量原子钟电磁波源与基准电磁波时钟之间的频率偏差；
频率微调环，其为一圆形微波传输通道，且基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度；
若原子钟电磁波源输出的频率大于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源；
若原子钟电磁波源输出的频率小于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源；
其中，圆形微波传输通道的半径和测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度均由原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差来确定；
所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度之间的关系式为：
式中，v-测量探头离开波源的速度；c-电磁波的速度；z-波长相对变化量；λs--原子钟电磁波源的波长；λb---基准电磁波时钟输出的电磁波波长；fb-基准计时频率；fs-原子钟电磁波源的频率；
所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与圆形微波传输通道的半径之间的关系式为：2πR＝vt；
式中，R-圆形微波传输通道的半径；v-测量探头离开波源的速度；t--测量探头沿圆形微波传输通道一周的时间。
2.如权利要求1所述的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，其特征在于，原子钟电磁波源可产生与不同特性原子构造的原子钟相匹配的电磁波频段。
3.如权利要求1所述的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，其特征在于，所述基于多普勒效应的提高原子钟精度的装置，还包括微波处理器；所述微波处理器用于接收频率微调环调整后微波信号，并转换成方波信号且传输至脉冲计数器内。
4.如权利要求3所述的一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验装置，其特征在于，所述脉冲计数器还与显示器相连，所述显示器用来显示当前时间信息。
5.一种基于多普勒效应的提高原子钟精度的实验方法，其特征在于，包括：
利用原子钟电磁波源输出相应原子钟对应的频率信号；
将原子钟电磁波源输出的频率信号与基准电磁波时钟的频率信号作差，求出两者之间的频率偏差；
构建频率微调环，所述频率微调环为圆形微波传输通道，所述频率微调环基于多普勒效应来消除原子钟电磁波源与基准电磁波时钟的频率偏差，以达到提高原子钟的精度；其中，若原子钟电磁波源输出的频率大于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道远离原子钟电磁波源；
若原子钟电磁波源输出的频率小于基准电磁波时钟的频率，则原子钟电磁波源不动，测量探头沿圆形微波传输通道靠近原子钟电磁波源；
圆形微波传输通道的半径和测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度均由原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差来确定；
所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与圆形微波传输通道的半径之间的关系式为：2πR＝vt；
式中，R-圆形微波传输通道的半径；v-测量探头离开波源的速度；t--测量探头沿圆形微波传输通道一周的时间；
所述原子钟电磁波源与基准电磁波时钟两者之间的频率偏差与测量探头沿圆形微波传输通道运动的速度之间的关系式为：
式中，v-测量探头离开波源的速度；c-电磁波的速度；z-波长相对变化量；λs--原子钟电磁波源的波长；λb---基准电磁波时钟输出的电磁波波长；fb-基准计时频率；fs-原子钟电磁波源的频率。
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