CN109474276B - 一种cpt原子钟频率同步控制方法及系统 - Google Patents

一种cpt原子钟频率同步控制方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种CPT原子钟频率同步控制方法及系统，所述方法包括对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号；通过所述输出秒脉冲信号和同步端口的输入秒脉冲信号的脉冲宽度比对，检测所述输入秒脉冲信号的有效性；当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差数字量；根据所述时差量确定是否需要纠正频率，若是，则根据所述时差量得到频率纠偏反馈量，以根据所述频率纠偏反馈量调整所述CPT原子钟输出频率，本发明可实现CPT原子钟自动、快速的频率同步。

Description

一种CPT原子钟频率同步控制方法及系统
技术领域
本发明涉及CPT原子钟技术领域。更具体地，涉及一种CPT原子钟频率同步控制方法及系统。
背景技术
相干布居囚禁(CPT)原子钟是基于原子的相干布居囚禁原理而设计的一种新型原子钟，在工作机理上不同于传统的氢、铷、铯等原子钟，量子部分不需要微波谐振腔，是当今在原理和技术上可以实现最小体积和最低能耗的原子钟。由于其具有体积小、功耗低、启动快等优点，具有广泛的应用前景。现有CPT原子钟为二级频标，准确度指标偏低，长期频率漂移特性明显。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种CPT原子钟频率同步控制方法，实现CPT原子钟自动、快速的频率同步。本发明的另一个目的在于提供一种CPT原子钟频率同步控制系统。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
本发明公开了一种CPT原子钟频率同步控制方法，包括：
对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号；
通过所述输出秒脉冲信号和同步端口的输入秒脉冲信号的脉冲宽度比对，检测所述输入秒脉冲信号的有效性；
当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差数字量；
根据所述时差量确定是否需要纠正频率，若是，则根据所述时差量得到频率纠偏反馈量，以根据所述频率纠偏反馈量调整所述CPT原子钟输出频率。
优选地，所述输入秒脉冲信号为比所述输出频率高一级频标的定时信息或卫星信号定时信息。
优选地，所述当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差量具体包括：
通过时差模拟转换电路得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差模拟量；
通过模数转换器将所述时差模拟量转换为时差数字量。
优选地，所述根据所述时差量确定是否需要纠正频率具体包括：
若所述时差数字量大于0，则需要纠正频率。
优选地，所述根据所述时差量确定是否需要纠正频率还包括：
若所述时差数字量等于0，则不需要纠正频率；
若连续三次得到的时差数字量等于0，则重新检测是否存在输入秒脉冲信号。
优选地，所述根据所述时差量得到频率纠偏反馈量具体包括：
若所述时差数字量大于等于预设时差量，则得到第一频率纠偏反馈量以粗调CPT原子钟输出频率；
若所述时差数字量小于预设时差量，则得到第二频率纠偏反馈量以细调CPT原子钟输出频率，其中所述第二频率纠偏反馈量小于第一频率纠偏反馈量。
优选地，所述粗调CPT原子钟输出频率具体包括：
根据所述时差数字量得出相应的第一频率纠偏反馈量，改变外部锁相环倍频参数，粗调CPT原子钟输出频率。
优选地，所述细调CPT原子钟输出频率具体包括：
根据所述时差数字量得出相应的第二频率纠偏反馈量，通过数模转换器改变加在C场上的电流，细调CPT原子钟输出频率。
优选地，所述方法还包括在对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号之前锁定输出频率的步骤：
对CPT原子钟的量子系统和激光器进行温度控制；
温度稳定后锁定激光频率；
激光频率锁定后进行微波频率锁定；
输出频率锁定。
本发明还公开了一种CPT原子钟频率同步控制系统，包括
信号分频单元，用于对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号；
信号检测单元，用于通过所述输出秒脉冲信号和同步端口的输入秒脉冲信号的脉冲宽度比对，检测所述输入秒脉冲信号的有效性；
时差量求解单元，用于当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差数字量；以及
频率纠正单元，用于根据所述时差量确定是否需要纠正频率，若是，则根据所述时差量得到频率纠偏反馈量，以根据所述频率纠偏反馈量调整所述CPT原子钟输出频率。
本发明的有益效果如下：
本发明可实现CPT原子钟频率快速同步的自动控制和自主运行，采用运放和门电路组成的时差转模拟信号电路模块，精确测量CPT原子钟频率偏移，输出频率粗调与细调相结合，能在较短时间内同步CPT原子钟的频率输出，并且在1PPS_IN信号中断时停止同步功能，在连续检测到1PPS_IN信号后再次开始频率同步。在频率同步状态下，同步精度优于50ns，同步时间20分钟后，输出频率准确度优于1E-11。本发明提出的控制方法，程序上逻辑清晰、结构简明、易于实现和调试。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明一种CPT原子钟频率同步控制方法一个具体实施例的流程图。
图2示出本发明一种CPT原子钟频率同步控制方法一个具体实施例的应用流程图。
图3示出本发明一种CPT原子钟频率同步控制系统一个具体实施例的结构图。
图4示出适于用来实现本发明实施例的计算机设备的结构示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
根据本发明的一个方面，本实施例公开了一种CPT原子钟频率同步控制方法。如图1所示，本实施例中，CPT原子钟频率同步控制方法包括：
S100：对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号。在一个具体例子中，可通过单片机进行系统控制，利用软件语言(keil C或汇编)对控制芯片进行编程，以实现对CPT原子钟的频率同步。单片机采集CPT原子钟输出频率并分频产生输出秒脉冲信号(1PPS_OUT)。
S200：通过所述输出秒脉冲信号和同步端口的输入秒脉冲信号的脉冲宽度比对，检测所述输入秒脉冲信号的有效性。如图2所示，在一个具体例子中，本实施例在具体应用时，可通过分频产生的1PPS_OUT信号判断是否检测到同步端口存在输入秒脉冲信号(1PPS_IN)信号，可通过所述输出秒脉冲信号和同步端口的输入秒脉冲信号的脉冲宽度比对，检测所述输入秒脉冲信号的有效性，当输出秒脉冲信号和输入秒脉冲信号的脉冲宽度相一致时，则认为同步端口输入了有效的输入秒脉冲信号，其中，当输出秒脉冲信号和输入秒脉冲信号的脉冲宽度的差值小于预设值时，认为输出秒脉冲信号和输入秒脉冲信号的脉冲宽度相一致。
S300：当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差数字量。可设置计数参数count_1PPS，count_1PPS的初始值可设置为0。当检测到1PPS_IN信号有效，则将count_1PPS加1。所述1PPS_IN信号可以是高一级频标的定时信息或卫星信号定时信息。如果count_1PPS<＝2，返回状态，则表示count_1PPS没有加1，同步端口不存在有效的输入秒脉冲信号；如果count_1PPS>2，则表示count_1PPS已加1，同步端口存在有效的输入秒脉冲信号，需要对CPT原子钟输出频率进行同步检测。
S400：根据所述时差量确定是否需要纠正频率，若是，则根据所述时差量得到频率纠偏反馈量，以根据所述频率纠偏反馈量调整所述CPT原子钟输出频率。
本发明通过对CPT原子钟输出频率分频形成输出秒脉冲信号，根据输出秒脉冲信号检测是否存在作为频标的输入秒脉冲信号，通过对比输出秒脉冲信号和输入秒脉冲信号，根据输出秒脉冲信号和输入秒脉冲信号CPT原子钟输出频率进行纠正，在有接入第一秒脉冲信号和判断输入秒脉冲信号有效的情况下能够实现频率同步功能，可实现CPT原子钟频率同步的自动控制和自主运行，提高长期频率指标。
在优选的实施方式中，所述S300可进一步包括：
S310：通过时差模拟转换电路得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差模拟量。
S320：通过模数转换器将所述时差模拟量转换为时差数字量。本实施例可通过高精度模数转换采集门电路和运放组成的时差转换电路模拟输出量，精确测量频率偏移的数字量。
在优选的实施方式中，所述S400进一步可包括：
S410：若所述时差数字量大于0，则需要纠正频率。
在优选的实施方式中，所述S400进一步还可包括：
S420：若所述时差数字量等于0，则不需要纠正频率。
S430：若连续三次得到的时差数字量等于0，则重新检测是否存在输入秒脉冲信号。根据偏移量的大小，在连续检测到偏移量为0时停止频率同步功能，在连续检测到1PPS_IN信号后开启频率同步功能。通过设置时差数字量的连续判断步骤，可实现频率同步的自动暂停和再启动。在其他实施方式中，在实际应用时，也可根据实际情况将对时差数字量的连续判断的次数设置为其他数值，本发明对此并不作限定。
在优选的实施方式中，所述S400可进一步包括：
S440：若所述时差数字量大于等于预设时差量，则得到第一频率纠偏反馈量以粗调CPT原子钟输出频率；若所述时差数字量小于预设时差量，则得到第二频率纠偏反馈量以细调CPT原子钟输出频率，其中所述第二频率纠偏反馈量小于第一频率纠偏反馈量。
具体地，粗调CPT原子钟输出频率可包括：
根据所述时差数字量得出相应的第一频率纠偏反馈量，改变外部锁相环PLL倍频参数，粗调CPT原子钟输出频率。
细调CPT原子钟输出频率可包括：
根据所述时差数字量得出相应的第二频率纠偏反馈量，通过数模转换器改变加在C场上的电流，细调CPT原子钟输出频率。本实施例运用基于频率倍频和量化时延原理的短时间间隔测量方法，精确测量频率偏移，根据频率偏移的大小，通过输出频率粗调与细调相结合，在较短时间内同步CPT原子钟输出频率，提高长期准确度和稳定度指标。
在优选的实施方式中，在S100对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号之前，还可包括对实现该方法的各器件进行初始化配置的步骤S500和输出频率锁定的步骤S600。
其中，在通过单片机实现本实施例的频率同步方法时，初始化配置可包括单片机内部及外围电路各模块进行初始化配置，步骤S500可包括单片机芯片时钟配置以及CPT原子钟的C场电压配置、量子系统和激光器温度点配置，锁相环芯片配置、AD/DA芯片配置等。其中，AD/DA芯片可起到模数转换器和数模转换器的作用。
在优选的实施方式中，输出频率锁定S600具体可包括：
S610：对CPT原子钟的量子系统和激光器进行温度控制；
S620：温度稳定后锁定激光频率；
S630：激光频率锁定后进行微波频率锁定；
S640：输出频率锁定。
综上，本发明可实现CPT原子钟频率同步的自动控制和自主运行，实现初始化配置、输出频率锁定、1PPS_IN信号检测、时差数据量采集、输出频率调整(粗调输出频率和细调输出频率)以及频率同步的暂停和再启动等过程，控制方法结构简明，在有接入第一秒脉冲信号的情况下能够实现频率同步功能，通过粗调和细调相结合的方式调整原子钟输出频率，同步时间较短，能提高长期频率指标。且本发明提出的控制方法，程序上逻辑清晰、结构简明、易于实现和调试。
基于相同原理，本实施例还公开了一种CPT原子钟频率同步控制系统。如图3所示，本实施例中，CPT原子钟频率同步控制系统包括信号分频单元11、信号检测单元12、时差量求解单元13和频率纠正单元14。
其中，所述信号分频单元11用于对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号。
所述信号检测单元12用于通过所述输出秒脉冲信号和同步端口的输入秒脉冲信号的脉冲宽度比对，检测所述输入秒脉冲信号的有效性。
所述时差量求解单元13用于当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差数字量。
所述频率纠正单元14用于根据所述时差量确定是否需要纠正频率，若是，则根据所述时差量得到频率纠偏反馈量，以根据所述频率纠偏反馈量调整所述CPT原子钟输出频率。
由于该系统解决问题的原理与以上方法类似，因此本系统的实施可以参见方法的实施，在此不再赘述。
上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机设备，具体的，计算机设备例如可以为个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件设备、游戏控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任何设备的组合。
在一个典型的实例中计算机设备具体包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的由客户端执行的方法，或者，所述处理器执行所述程序时实现如上所述的由服务器执行的方法。
下面参考图4，其示出了适于用来实现本申请实施例的计算机设备600的结构示意图。
如图4所示，计算机设备600包括中央处理单元(CPU)601，其可以根据存储在只读存储器(ROM)602中的程序或者从存储部分608加载到随机访问存储器(RAM))603中的程序而执行各种适当的工作和处理。在RAM603中，还存储有系统600操作所需的各种程序和数据。CPU601、ROM602、以及RAM603通过总线604彼此相连。输入/输出(I/O)接口605也连接至总线604。
以下部件连接至I/O接口605：包括键盘、鼠标等的输入部分606；包括诸如阴极射线管(CRT)、液晶反馈器(LCD)等以及扬声器等的输出部分607；包括硬盘等的存储部分608；以及包括诸如LAN卡，调制解调器等的网络接口卡的通信部分609。通信部分609经由诸如因特网的网络执行通信处理。驱动器610也根据需要连接至I/O接口606。可拆卸介质611，诸如磁盘、光盘、磁光盘、半导体存储器等等，根据需要安装在驱动器610上，以便于从其上读出的计算机程序根据需要被安装如存储部分608。
特别地，根据本发明的实施例，上文参考流程图描述的过程可以被实现为计算机软件程序。例如，本发明的实施例包括一种计算机程序产品，其包括有形地包含在机器可读介质上的计算机程序，所述计算机程序包括用于执行流程图所示的方法的程序代码。在这样的实施例中，该计算机程序可以通过通信部分609从网络上被下载和安装，和/或从可拆卸介质611被安装。
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
为了描述的方便，描述以上装置时以功能分为各种单元分别描述。当然，在实施本申请时可以把各单元的功能在同一个或多个软件和/或硬件中实现。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
本领域技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请可以在由计算机执行的计算机可执行指令的一般上下文中描述，例如程序模块。一般地，程序模块包括执行特定任务或实现特定抽象数据类型的例程、程序、对象、组件、数据结构等等。也可以在分布式计算环境中实践本申请，在这些分布式计算环境中，由通过通信网络而被连接的远程处理设备来执行任务。在分布式计算环境中，程序模块可以位于包括存储设备在内的本地和远程计算机存储介质中。
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，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (7)

1.一种CPT原子钟频率同步控制方法，其特征在于，包括：
对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号；
通过所述输出秒脉冲信号和同步端口的输入秒脉冲信号的脉冲宽度比对，检测所述输入秒脉冲信号的有效性；
当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差数字量；
根据时差量确定是否需要纠正频率，若是，则根据所述时差量得到频率纠偏反馈量，以根据所述频率纠偏反馈量调整所述CPT原子钟输出频率；
所述根据所述时差量得到频率纠偏反馈量具体包括：
若所述时差数字量大于等于预设时差量，则得到第一频率纠偏反馈量以粗调CPT原子钟输出频率；
若所述时差数字量小于预设时差量，则得到第二频率纠偏反馈量以细调CPT原子钟输出频率，其中所述第二频率纠偏反馈量小于第一频率纠偏反馈量；
所述粗调CPT原子钟输出频率具体包括：
根据所述时差数字量得出相应的第一频率纠偏反馈量，改变外部锁相环倍频参数，粗调CPT原子钟输出频率；
所述细调CPT原子钟输出频率具体包括：
根据所述时差数字量得出相应的第二频率纠偏反馈量，通过数模转换器改变加在C场上的电流，细调CPT原子钟输出频率。
2.根据权利要求1所述的CPT原子钟频率同步控制方法，其特征在于，所述输入秒脉冲信号为比所述输出频率高一级频标的定时信息或卫星信号定时信息。
3.根据权利要求1所述的CPT原子钟频率同步控制方法，其特征在于，所述当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差量具体包括：
通过时差模拟转换电路得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差模拟量；
通过模数转换器将所述时差模拟量转换为时差数字量。
4.根据权利要求1所述的CPT原子钟频率同步控制方法，其特征在于，所述根据所述时差量确定是否需要纠正频率具体包括：
若所述时差数字量大于0，则需要纠正频率。
5.根据权利要求4所述的CPT原子钟频率同步控制方法，其特征在于，所述根据所述时差量确定是否需要纠正频率还包括：
若所述时差数字量等于0，则不需要纠正频率；
若连续三次得到的时差数字量等于0，则重新检测是否存在输入秒脉冲信号。
6.根据权利要求1所述的CPT原子钟频率同步控制方法，其特征在于，所述方法还包括在对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号之前锁定输出频率的步骤：
对CPT原子钟的量子系统和激光器进行温度控制；
温度稳定后锁定激光频率；
激光频率锁定后进行微波频率锁定；
输出频率锁定。
7.一种CPT原子钟频率同步控制系统，其特征在于，包括
信号分频单元，用于对CPT原子钟输出频率分频产生输出秒脉冲信号；
信号检测单元，用于通过所述输出秒脉冲信号和同步端口的输入秒脉冲信号的脉冲宽度比对，检测所述输入秒脉冲信号的有效性；
时差量求解单元，用于当检测到所述输入秒脉冲信号有效时，得到所述输出秒脉冲信号和所述输入秒脉冲信号的时差数字量；以及
频率纠正单元，用于根据所述时差量确定是否需要纠正频率，若是，则根据所述时差量得到频率纠偏反馈量，以根据所述频率纠偏反馈量调整所述CPT原子钟输出频率；
所述频率纠正单元，包括，
外部锁相环，用于当所述时差数字量大于等于预设时差量时，改变倍频参数，粗调CPT原子钟输出频率；
数模转换器，用于当所述时差数字量小于预设时差量时，改变加在C场上的电流，细调CPT原子钟输出频率。
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