CN112782510A

CN112782510A - 一种原子钟场强测试系统

Info

Publication number: CN112782510A
Application number: CN202011644185.1A
Authority: CN
Inventors: 雷海东; 詹志明; 涂娟; 朱小龙
Original assignee: Jianghan University
Current assignee: Jianghan University
Priority date: 2020-12-31
Filing date: 2020-12-31
Publication date: 2021-05-11

Abstract

本发明实施例中公开了一种原子钟场强测试系统，该原子钟场强测试系统包括光场测试模块、微波场测试模块、磁场测试模块、温度场测试模块以及电场测试模块，其中，光场测试模块包括频率测量仪、采集仪以及PC机，微波场测试模块包括粗调系统、细调系统等，磁场测试模块包括频稳测试仪、C场换向开关、环路开关、光强检测模块等，温度场测试模块包括频率计数器、高稳H钟源、恒温箱、第一测量模块、第二测量模块、第三测量模块以及第四测量模块等，电场测试模块包括探测信号生成模块、处理器、光开关模块、逻辑门阵列以及采样信号显示模块等，本发明提供的原子钟场强测试系统能够对整机性能进行测试，并选择最优的工作参数点。

Description

一种原子钟场强测试系统

技术领域

本发明涉及原子钟技术领域，具体涉及一种原子钟场强测试系统。

背景技术

被动型铷原子钟的原理方框图如图1a所示，整个框图由物理系统及电子线路两大部分组成，其中物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔、光电池、C场模块、恒温器以及磁屏等组成；电子线路由基本的隔离放大器、DDS综合器、倍频混频器以及伺服电路组成。物理系统作为原子标准频率输出参考，电子线路与物理系统构成一个频率锁定环路，用以将压控晶体振荡器VCXO的输出频率锁定在物理系统的原子标准参考频率上。

光谱灯、集成滤光共振泡、微波场、C场、控温电路、伺服电路等部件的工作状态及其相应参数的稳定和配合对整机的性能指标带来很大的影响，所以我们有必要针对各个部分开展参数测试工作，对整机的性能进行测试，并选择最优的工作参数点。

发明内容

本发明实施例中提供一种原子钟场强测试系统，能够对整机性能进行测试，并选择最优的工作参数点。

本发明提供一种原子钟场强测试系统，信息原子钟场强测试系统包括光场测试模块、微波场测试模块、磁场测试模块、温度场测试模块以及电场测试模块，其中：

所述光场测试模块包括频率测量仪、原子钟模块、采集仪以及PC机，其中：所述频率测量仪，用于接收参考源以及所述原子钟模块的频率输出；所述采集仪，用于采集所述原子钟模块中的灯温以及光电流数据；所述PC机分别与所述频率测量仪及所述采集仪连通；

所述微波场测试模块包括外围电子线路、粗调系统、细调系统、物理系统以及伺服环路，所述伺服环路包含有处理器，所述外围电子线路分别与所述粗调系统、所述细调系统及所述伺服环路连通，所述物理系统分别与所述粗调系统、细调系统及所述伺服环路连通；

所述磁场测试模块包括频稳测试仪、PC机、C场换向开关、环路开关、光强检测模块、物理系统以及电子线路，其中所述C场换向开关与所述物理系统连通，所述频稳测试仪、所述PC机、所述光强检测模块以及所述物理系统依次连通，所述频稳测试仪与所述电子线路中的隔离放大器连通，所述环路开关分别与所述物理系统及所述电子线路中的伺服电路连通；

所述温度场测试模块包括原子钟模块、频率计数器、高稳H钟源、寄存器、处理器、恒温箱、第一测量模块、第二测量模块、第三测量模块以及第四测量模块；

所述电场测试模块包括VCXO模块、探测信号生成模块、物理系统、D/A控制模块、处理器、光开关模块、逻辑门阵列、A/D采样模块、微商计数模块、增益控制模块、感应时间模块以及采样信号显示模块。

在一些实施例中，在所述光场测试模块中，所述原子钟模块包括光谱灯、磁性超精细成分滤光片、光控模块、谐振腔、集成滤光共振泡、光电池、微波探询信号产生电路以及微处理器；

所述光谱灯、所述磁性超精细成分滤光片、所述光控模块、所述集成滤光共振泡以及光电池位于同一光路上，所述所述集成滤光共振泡以及光电池设置在所述谐振腔内部，所述微处理器分别与所述光电池、所述光谱灯连通以及所述微波探询信号产生电路连通，所述微波探询信号产生电路还与所述谐振腔连通。

在一些实施例中，所述光谱灯包括光源、印制板底、印制板盖以及印制版面，所述印制板底设置在所述光源底部、所述印制板盖设置在所述光源顶部，所述印制版面设置在所述光源四周，其中，所述印制版盖在所述光源的出光方向设置有透光孔；

所述光源包括发光泡、遮光筒、内层电感线圈以及外层电感线圈，所述遮光筒通过固定螺纹固定在所述印制板底上，所述发光泡放置在所述遮光筒内部并紧密贴遮光筒壁接触，所述发光泡通过所述遮光筒的出光口部分漏出，所述遮光筒外壁绕有所述内层电感线圈以及所述外层电感线圈。

在一些实施例中，所述微波场测试模块中，所述粗调系统包括光源、集成滤光共振模块、光电探测模块、中央处理器、微波源、功率探测模块、C场模块以及电流模块；

所述光源、所述集成滤光共振模块、所述光电探测模块、所述中央处理器、所述功率探测模块、所述微波源及所述集成滤光共振模块依次连通，所述中央处理器还分别与所述微波源、所述功率探测模块以及所述电流模块连通，所述C场模块分别与所述集成滤光共振模块及所述电流模块连通；

所述细调系统包括伺服前级、同步鉴相、伺服末级、压控本振、微波探询信号产生电路以及峰值探测器；

所述物理系统中的光电池、所述伺服前级、所述同步鉴相、所述伺服末级、所述压控本振、所述微波探询信号产生电路以及所述物理系统依次连通，所述微波探询信号产生电路还与所述同步鉴相连通，所述峰值探测器设置在所述伺服前级和所述伺服末级之间。

在一些实施例中，所述微波源输出有两路，一路用于完成所述集成滤光共振模块探测信号的制备，另一路送至所述功率探测模块中。

在一些实施例中，所述温度场测试模块中：所述第一测量模块包括所述原子钟模块中的光谱灯、第一控温模块、第一测量模块、显示模块、所述恒温箱以及所述处理器，所述第一控温模块以及所述第一测温模块均分别与所述光谱灯及所述处理器连通，所述显示模块与所述处理器连通；

所述第二测量模块包括所述原子钟模块中的腔泡系统、第二控温模块、第二测量模块、所述恒温箱以及所述处理器，所述第二控温模块以及所述第二测温模块均分别与所述腔泡系统及所述处理器连通；

所述第三测量模块包括所述腔泡系统、第三控温模块、第三测温模块、所述处理器以及弱磁探头，所述弱磁探头分别与所述腔泡系统及所述处理器连通，所述第三控温模块以及所述第三测温模块均分别与所述腔泡系统及所述处理器连通；

所述第四测量模块包括光电信号采集模块、程控放大模块、压控变换模块、VCXO模块、温度采集模块、温度补偿模块以及所述处理器，所述光电信号采集模块、所述程控放大模块、所述压控变换模块、所述VCXO模块、所述温度采集模块、所述温度补偿模块、所述处理器以及所述程控放大模块依次连通，所述压控变换模块还分别与所述处理器及所述温度补偿模块连通。

在一些实施例中，所述恒温箱内部贴有第一热敏电阻，所述第一热敏电阻用于获取所述恒温箱的实际温度信息。

在一些实施例中，所述腔泡系统包括腔体、磁感应线圈、第一磁屏层以及第二磁屏层，所述腔体、所述磁感应线圈、所述第一磁屏层以及所述第二磁屏层从内至外依次设置。

在一些实施例中，所述电场测试模块中，所述处理器分别与所述VCXO模块、探测信号生成模块、D/A控制模块、光开关模块、逻辑门阵列、A/D采样模块、微商计数模块以及感应时间模块连通；

所述VCXO模块还分别与所述探测信号生成模块及所述D/A控制模块连通，所述物理系统分别与所述光开关模块、所述探测信号生成模块及所述A/D采样模块连通，所述增益控制模块与所述微商计数模块连通，所述采样信号显示模块与所述感应时间模块连通。

在一些实施例中，所述探测信号生成模块包括AD9852芯片。

相对于现有技术，本发明的有益效果是：本发明实施例提供的原子钟场强测试系统包含有5大场的测试模块，可以分别对原子钟的光场、微波场、磁场、温度场以及电场进行测试，能够根据测试结果确定整机的性能，并为原子钟选择最优的工作参数点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述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1a是现有技术中被动型铷原子钟的一个原理方框图；

图1b是本发明实施例提供的原子钟场强测试系统的一个总体原理示意图；

图2a是本发明实施例提供的光场测试模块的一个总体原理示意图；

图2b是本发明实施例提供的原子钟模块的一个原理示意图；

图2c是本发明实施例提供的光谱灯的一个结构示意图；

图2d是本发明实施例提供的集成滤光共振泡的温度-差频示意图；

图2e是本发明实施例提供的光控模块的具体结构示意图；

图3a是本发明实施例提供的微波场测试模块的一个原理示意图；

图3b是本发明实施例提供的粗调系统的一个原理示意图；

图3c是本发明实施例提供的磁场与中心频率的一个关系图；

图3d是本发明实施例提供的细调系统的一个原理示意图；

图3e是本发明实施例提供的峰值探测器的一个电路图；

图3f是本发明实施例提供的光检信号的一个曲线图；

图4是本发明实施例提供的磁场测试模块的一个原理示意图；

图5a是本发明实施例提供的温度场测试模块的一个原理示意图；

图5b是本发明实施例提供的第一测量模块的一个原理示意图；

图5c是本发明实施例提供的第二测量模块的一个原理示意图；

图5d是本发明实施例提供的第三测量模块的一个原理示意图；

图5e是本发明实施例提供的第四测量模块的一个原理示意图；

图6是本发明实施例提供的电场测试模块的一个原理示意图。

具体实施例

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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，“示例性”一词用来表示“用作例子、例证或说明”。本发明中被描述为“示例性”的任何实施例不一定被解释为比其它实施例更优选或更具优势。为了使本领域任何技术人员能够实现和使用本发明，给出了以下描述。在以下描述中，为了解释的目的而列出了细节。应当明白的是，本领域普通技术人员可以认识到，在不使用这些特定细节的情况下也可以实现本发明。在其它实例中，不会对公知的结构和过程进行详细阐述，以避免不必要的细节使本发明的描述变得晦涩。因此，本发明并非旨在限于所示的实施例，而是与符合本发明所公开的原理和特征的最广范围相一致。

本发明中的处理器可采用TI公司的MSP430型号的处理器，A/D可采用TI公司的ADS1110A0IDBVR，D/A可采用TI公司的TLV5623CDR。

请参阅图1b，图1b是本发明实施例提供的原子钟场强测试系统一个总体原理示意图，该原子钟场强测试系统包括光场测试模块、微波场测试模块、磁场测试模块、温度场测试模块以及电场测试模块5大场的测试模块，以下分别对该5大场的测试模块进行详细说明。

一、光场测试模块：

请参阅图2a，图2a是本发明实施例提供的光场测试模块一个总体原理示意图。

如图2a所示，本发明实施例中，光场测试模块包括频率测量仪a10、原子钟模块a20、采集仪a30以及个人计算机(personal computer，pc)a40，其中：

频率测量仪a10，用于接收参考源以及原子钟模块20的频率输出；

采集仪20，用于采集原子钟模块20中的灯温以及光电流数据；

PC机a40分别与频率测量仪a10及采集仪a30连通；

其中，物理系统位于原子钟模块20中。

如图2b所示，原子钟模块20包括光谱灯a21、磁性超精细成分滤光片a22、光控模块a23、谐振腔a24、集成滤光共振泡a25、光电池a26、微波探询信号产生电路a27以及微处理器a28；

光谱灯a21、磁性超精细成分滤光片a22、光控模块a23、集成滤光共振泡a25以及光电池a26位于同一光路上，集成滤光共振泡a25以及光电池a26设置在谐振腔a24内部，微处理器a28分别与光电池a26、光谱灯a21连通以及微波探询信号产生电路a27连通，微波探询信号产生电路a27还与谐振腔a24连通。

请参阅图2c，图2c为本实施例中光谱灯a21的一个总体结构示意图，其中，光谱灯a21包括光源a211、印制板底a212、印制板盖a213以及印制版面214，印制板底a212设置在光源a211底部、印制板盖a213设置在光源a211顶部，印制版面214设置在光源a211四周，其中，印制版盖213在光源a211的出光方向设置有透光孔。

具体地，光谱灯a21由一个平等六边形结构组成，上平面为印制板盖a213、下平面为印制板底a212、四周有四块印制板面a214、内部由光谱灯a21组成。其中印制板盖a213、印制板底a212对六面体内侧一面全部覆盖金属铜，用以消除光源a211对上、下面的电磁干扰；印制板盖a213、印制板底a212对六面体外侧一面全部安放功能件；四块印制板面a214对六面体内侧一面全部覆盖金属铜，用以消除光源a211对左、右、前、后面的电磁干扰；光源a211包括有装有发光泡及用以激励发光泡发光的电感线圈，整个装置固定于印制板底a212面上。

本实施例提供的光源a211的一个结构示意图，光源包括发光泡、遮光筒、内层电感线圈、外层电感线圈，其中：

遮光筒通过固定螺纹固定在印制板底a212上，发光泡放置在遮光筒内部并紧密贴遮光筒壁接触，发光泡通过遮光筒的出光口部分漏出，遮光筒外壁绕有内层电感线圈以及外层电感线圈。

具体地，遮光筒由PVC材料板制成圆柱筒状，并通过固定螺纹固定在印制板底a212上。发光泡放置在遮光筒内部紧密贴遮光筒壁接触，并使发光泡体部分露出遮光筒边缘，用以在受激激发下对外产生光辐射。遮光筒外壁绕有内、外双层电感线圈，用以产生高频激励。

其中，电感线圈(内层电感线圈以及外层电感线圈)采用外漆包线包裹并采用双层密绕的绕线方式，即内层电感线圈以及外层电感线圈均采用外漆包线包裹，内层电感线圈以及外层电感线圈采用双层密绕的绕线方式。

此时，当电感线圈中有电流通过的时候，由于是双层密绕的方式，故可认为产生的电磁产生将是0，这样可以大大减少电磁辐射的影响。

本实施例中的印制板底朝内的一面为敷铜金属层，其上设置有一固定螺纹插件、一热感应传感器、两个光感应传感器，其中：

固定螺纹插件，用于固定光源a211；

热感应传感器，用于对印制板底a212温区进行测量；

光感应传感器，用于检测印制板底a212底区域的光源漏电情况。

具体地，关于印制板底a212，整个板由PCB板材料制成，并与前图2c中的四面印制板固定连接，对内面为敷铜金属层。其上有一固定螺纹插件，用以固定光谱灯a21；左侧放置有一热感应传感器，其材料为常用的热敏电阻，用以对印制板底温区进行测量；印制板底a212左、右两则各安放了一个光感应传感器，用以检测印制板底区域的光谱灯a21漏光情况。上述整个印制板底a212是密封的平行四边行平面结构。

本实施例中的印制板盖2内面为敷铜金属层，印制板盖上设置有一温控电阻、两个光电池，其中：

温控电阻，用于结合相关电路对光谱灯a21激励发光功率进行稳定；

光电池，用于检测光谱灯a21辐射的光强大小。

具体地，整个板由PCB板材料制成，并与图2c中的四面印制板固定连接，其对内面为敷铜金属层。左侧放置有一温控电阻，其材料为PTC电阻，结合相关电路用以对光谱灯a21激励发光功率进行稳定；印制板盖a213左、右两则各安放了一个光电池，用以检测光谱灯a21光辐射的光强大小。

其中，在整个板的中心位置高有一出线口，用以将完成前述漆包电感应线引入到光谱灯a21的线圈环节中。

值得注意的是：上述印制板盖a213并不是密封的平面结构，因为要让光源发射的光能够通过到整个光路装置中的透镜中。

光谱灯温度及光强：

为提高整个被动型铷原子钟的信噪比，采用了光抽运的方法，但光谱灯a21产生的抽运光将引起⁸⁷Rb原子跃迁频率的移动，其本质上是交变光频电场产生的交流斯塔克效应的平均效果。抽运光对⁸⁷Rb原子基态的能级移动为：

其中，P是电偶极矩算符，E时光电场的复振幅，1/γ是|α＞激发态的寿命，E_α和E_i分别为激发态和基态能级的能量。

由于抽运⁸⁷Rb原子的只是b线，通常只能引起F＝1，m_F＝0的能级移动。光频移和能级移动有以下关系：

由上述式子可知光频移与光强成正比，与光谱轮廓有关。另外，若抽运光为单色光，而且恰好ω＝ω_αi，则不引起光频移；若ω＞ω_αi，则引起负频移；若ω＜ω_αi，则引起正频移；若ω与ω_αi相差很远，则引起的频移量的绝对值与|ω-ω_αi|成反比关系。

在实际的铷原子钟中，抽运光并不是单色光，而是具有一定线宽和线型函数的多条光谱线的叠加。抽运光光谱线型函数范围内有一部分频率分量产生正光频移，另一部分频率分量产生负光频移。这种非单色光引起的0-0跃迁的频移是许多个单色光引起的频移的叠加(积分)。因此，对铷原子钟来讲，保持抽运光的光谱线型不变对减小光频移对频标老化漂移的影响是很重要的。

在实际的应用中，我们确实可以通过控制光谱灯a21的温度来对抽运光光强进行改变，但是这是基于光谱灯a21线型可变的条件下开展的，这样的操作只能够在整个原子钟样机成型前对独立的光谱灯a21个体进行温度-光强实验，寻找合适的光谱轮廓。改变光谱灯a21的温度，将使整个光谱轮廓发生变化，不同的光谱轮廓下，光强变化对系统的贡献是不一样的。因此，在进一步选择合适的灯光强之前，应该选择一个合适光谱灯a21灯温。在实际应用中，按照图2a的测试框图，通过两个步骤来实现最终光谱灯a21灯温的选择：

(1)、温区的选择

我们已经知道，光谱灯a21的温度大致上分为三个部分：张驰振荡区、平坦区、自蚀区。由于平坦区通常区间比较大，光谱灯a21灯温选择在此区间，光强随灯温的变化要比其它区间小得多，故通常我们把光谱灯a21灯温选择在此区间上。

按照图2a的测试框图，在整个原子钟样机开环状态下，我们改变光谱灯a21的温度，同时通过光电池a26获得透射光的光强大小，并用采集仪一一对应记录光谱灯a21温度-光强关系。

根据实际测量获得的光谱灯a21温区数据，确定具体平坦区的温区范围。

(2)、光频-温度测试

根据上述获得的具体平坦区的温区数据，按照图2a的测试框图，使原子钟样机在闭环的状态下，在温区范围内改变光谱灯a21温度，同时通过频率测量模块获得频率数据，PC机一一对应记录频率-灯温度关系。

随着光谱灯a21温度的改变，系统输出的频率会在1×10^-12/℃及4×10^-11/℃内变化。需要指出的是，在光谱灯a21控温环节中，实测灯温的变化是很小的，其缩减因子在100左右，因此，在做“光频-温度”实验时，首先在大范围搜索灯温对频率的拐点，我们根据获得的测量数据，可以确定A点为最优值点，然后，按照同样的方法在A点小范围内(例如温度变化步长为0.1℃)再搜索一次拐点，从而获得更细更合适的光谱灯a21温度点。

(3)、原子钟模块

整个改进方案原理如图2b所示：在传统原子频标技术方案基础之上，依赖光谱灯a21、集成滤光共振泡a25、微波控询信号模块(微波探询信号产生电流)，做以下改进：

1、在光谱灯a21后加上磁性超精细成分滤光片a22；

2、光谱灯a21激励方式采用方波电压激励方式；

3、对置于谐振腔内的集成滤光共振泡a25中的铷原子采用相干微波脉冲共振。

1、在光谱灯a21后加上磁性超精细成分滤光片a22：

一台调整好的铷原子频标，其量子物理部分的光频移可以调到零，这样它的频率对抽运光强的微小变化就不敏感了。但是，实际上光频移的大小不但与照射到吸收泡上的抽运光强成正比，而且与照射到吸收泡上的抽运光光谱线的线形函数关系非常密切：抽运光光谱线线形函数范围内有一部分频率分量产生正光频移，另一部分频率分量产生负光频移。所谓调整到零光频移，实际上仅仅意味着抽运光光谱线形函数范围内的各部分频率分量引起的光频移的总和为零。所以总光频移为零实际上是正和负两个大光频移量相加的结果。在这种条件下，如果抽运光光强发生变化而光谱线的线形函数不发生变化，则仍可保持光频移为零，但如果光谱线的线形函数发生微小的变化，很容易导致总光频移不为零。而铷光谱灯a21在长期工作中，不担抽运光光强会发生微小的变化，而且抽运光光谱线形函数也会发生微小的变化。

光谱灯a21在长期的工作中，由于其工作状态的变化，灯泡内部87Rb的消耗等因素，光强发生变化，影响频标的稳定性指标。通过实验，可找到整机输出频率对光强不敏感的参数点。我们将光强的选择与集成滤光共振泡a25的温度选择结合在一起考虑，选择适当的泡温使光频移减到最小。实验时选择不同的光强下，通过改变集成滤光共振泡a25的温度，测量整机频率的输出，得到我们需要的零光强频移泡温。如图2d所示。

其中，图2d中的横坐标为集成滤光共振泡a25的温度，纵坐标为差频值。从图中可以看出，当集成滤光共振泡a25温度选择在T＝T0时整机输出频率与谱灯光强I无关，T0即零光强频移的泡温。准确地说，改变光强所测得的整机频率曲线不可能完全交于一点，往往是交于一个小的三角形区域，因此并不能完全消除光频移对稳定度的影响。在选择了最佳的集成滤光共振泡a25温度的情况下，光强对频率的影响可以做到1×10-12/1％，即光强变化1％，则引起频率的变化为1×10-12。当然对于不同的铷钟系统，光强对频率的影响程度有所不同，对于工作在不同状态的同一系统也会有所不同。

由图2d我们可以看到，对于大小不同、光谱线型相同的抽运光，腔温的变化引起的差频值变化是不一样的，在图中70％光强曲线的斜率要比100％光强曲线的斜率小，即对于70％光强，当腔温变化时引起的频移要比100％光强时小。假如光强的选择再进一步减小(如50％光强，30％光强…)，照图中的趋势，会得到更佳的斜率光强，但是由于要考虑到系统的信噪比，不可能选择很小的光强，此时需要通过改变集成滤光共振泡a25中缓冲气体的配比以及压力来获得零温度系数的光强。

方案中在光谱灯a21发射光路的后级加上一个磁性超精细成分滤光片a22，选择不同的滤光片，可以控制好上述理论中所需的光谱灯a21光强，更重要提可以改善抽运光光谱线形，从而使抽运光光谱线形是围绕中心频率完全对称的，可以进一步减小光频移的产生。

2、脉冲光抽运、相干脉冲微波共振、光检测

在一个抽运光脉冲通过铷原子频标集成滤光共振泡a25时，吸收泡中的铷原子被集中到F＝2的五个子能级上，然后用两个相干的有一定时间间隔的微波脉冲作用在铷原子上，微波频率正好等于铷原子基态0-0跃迁的频率。在第二个微波脉冲作用时，同时点亮光谱灯a21，在保持微波脉冲作用基础上，通过微处理器a28进行取样光检测，完成光检测后，关闭微波脉冲和光谱灯a21，并把量子纠偏信息传递给微波探询信号产生电路a27，完成整机的伺服，依此重复。

(4)光控模块：

按照上述方法我们获得了最优的光谱灯a21温度点，下面我们将进一步对影响原子钟稳定性指标的光强展开讨论。

通常情况下，光强对频率的影响为1×10^-12/1％，即光强变化1％，则引起频率的变化为1×10^-12。当然对于不同的铷钟系统，光强对频率的影响程度有所不同，对于工作在不同状态的同一系统也会有所不同。在工作在零光强频移点的频标，光强I对f的影响就相当小(理想情况下光强I变化不会引起f的变化)。因此，我们一方面要通过系统参数优化，减小光强变化对频移的影响，另一方面要采取措施，对灯光强进行控制，使灯的光强稳定性满足实现系统指标所需的要求。在光强的选择上，其主要的目的是找到“零光强频移点”，具体的细节在“集成滤光共振泡a25”的“零温度系数”部分阐述，这里只涉及如何改变光强。

为了选择一个合适的光强，可以通过改变光谱灯a21的激励功率、灯温，以及采用加中性滤光片的方法。新的光谱灯a21做成之后，相对应的灯激励功率电路已经和它配套，一般情况下不宜随便改变灯激励功率。我们已经知道，光谱灯a21的温度大致上分为三个部分：张驰振荡区、平坦区、自蚀区。由于平坦区通常区间比较大，光强随灯温的变化要比其它区间小得多，确实我们把光谱灯a21灯温选择在此区间上。但是我们应该注意到这样的问题，正是因为将光谱灯a21灯温选择在平坦区中，光强的可改变量是非常有限的，这不便于我们大范围的改变光强来满足实际应用中的需求。再则，我们确实可以通过改变光谱灯a21的温度来大幅改变其输出光强的大小，但这实际上已经改变了灯的光谱轮廓不利于系统的稳定。而中性滤光片的推出，将解决上述困难，实验也已证明它是一种有效的办法。其具体做法是在铷光谱灯a21泡与集成滤光共振泡a25之间放置中性滤光片，使铷光谱灯a21发出的光衰减到我们需要的光强。一个比较简单的做法是采用透明材料，因为它比较簿，能够方便地置入系统中，而且由于单片透明塑料对光的衰减率比较小，因此可以对光进行比较精细的调节。

常见的透明材料有聚碳酸酯、聚甲戊烯、聚砜有机玻璃、聚苯乙烯等，这类塑料有一定的耐磨性，耐化学试剂，但是在大气中长久曝晒，受热潮、紫外光等综合影响会发生老化。这些材料均存在雾度的影响(雾度即透明塑料散射的光通量与透过材料的光通量之百分比)。显然雾度的影响将降低光的利用率。这必将导致增大激励功率。另一方面由于对光的调节是通过衰减来实现的，这就要求谱灯发出的光比较强，这也要求增大激励功率。从而使灯的寿命降低，灯的干扰增大，恒温难度增大等一系列问题。在过去，为了提高光的利用率，一般设置一凹面镜或一凸透镜，使铷光谱灯a21发出的光变成平行光。随着科学技术的不断发展，我们已经用上中性衰减片来实现光强的改变。

光谱灯a21发出的光束经过光控模块a23实现所需的光强后再输送至集成共振滤光泡中，其中光控模块a23主要由数片摺叠通光片构成，具体结构如图2e所示：

图2e中的光控模块a23(控光体)是固定在光路中，在如图控光体座上设有一个电机撑柄，用来固定调谐电机，调谐电机转动，就带动电机轮盘转动，电机轮盘一处设有一穿线口称轮盘挂口；在控光体座上也设有多个支撑柄，支撑柄上设有转动轴承，用于安放通光片，通光片可以绕着转动轴承摆动，通光片上设有一穿线口称通光片挂口，分别在通光片与通光片之间、通光片与调谐电机之间绕有强力软质线，通过强力软线，各通光片受到调谐电机的调整，调谐电机转动，就可借助软线力量，实现通光片角度控制；在最低端处，控光体座上设有一穿线口，用一轻力弹簧连接绕线口和最底端的通光片，用于使各强力软线绷直，通光片的角度则保持一致。电机在调谐旋转角度θ时，便调谐了通光片角度，从而改变光谱灯a21光束摄入量，使用这样的装置，就能轻松的实现光强控制。

本实施例中集成共振滤光泡与光控模块a23之间我们设置了一个感光面，感光面是一个平面矩形结构，沿光束传播方向感光面上多点安装光敏电阻传感器。

即，四组传感器件分别安装于平面矩形的四个角，定义传感器A和传感器C为入口传感器，定义传感器B和传感器D为出口传感器。每个传感器测得不同的量化值V1、V2、V3、V4，设定每个传感器的权参数K1、K2、K3、K4，入口传感器设定的权大于出口传感器的权。对各量化值求期望。期望公式：E＝K1*V1+K2*V2+K3*V3+K4*V4。期望E为环境光感强度。若测得期望E大于(或小于)设定标准光强M+Δ(或M-Δ)时，启动降光(或升光)控制，即增大(或减小)控光体中通光片的旋转角度θ。

具体的控制原理中，用到了处理芯片(微处理器a28)，通过提取光敏传感系统信息，处理芯片获得指定测量光强量期望值E，根据程序判别E-M＞Δ(或E-M＜-Δ)成立，则启动通光片控制，通过控制电机调整通光片旋转角度，来调整光束通过比例，程序设为循环执行直至达标，通过程序重复执行，每次一次重复程序可重新获取测量光强期望值E，这样构成一个反馈控制系统，可以确保控制的成功性，其具体工作流程如下：

步骤00(开始)：设定一个周期性计时器T，每1秒钟(时间可据实际情况自行设定)到时开始程序，执行步骤01；

步骤01：访问光敏传感器件，返回光强值E，若E-M＞Δ(或E-M＜-Δ)判定光线变强(或变弱)，执行步骤02；若E-M＜Δ，则不作任何操作。

步骤02：增加(或减小)调谐电机角度1°，反馈调整，跳转步骤01。

光场测试模块的有益效果是：通过对光场的测试，能够确定出光谱灯a21的最优温度点及设置最合适的光强，从而为光场有关的设备选择最优的工作参数点。

二、微波场测试模块：

请参阅图3a，图3a是本发明实施例提供的微波场测试模块一个总体原理示意图。

如图3a所示，本发明实施例中，微波场测试模块包括外围电子线路b10、粗调系统b20、细调系统b30、物理系统b40以及伺服环路b50，伺服环路b50包含有处理器，外围电子线路b10分别与粗调系统b20、细调系统b30及伺服环路b50连通，物理系统b40分别与粗调系统b20、细调系统b30及伺服环路b50连通，其中，本实施例中提供的粗调系统b20以及细调系统b30为本系统的测试模块。

以下分别对本实施例中的粗调系统b20以及细调系统b30进行详细说明。

粗调系统b20：

请参阅图3b，图3b为本发明实施例提供的粗调系统b20的一个原理示意图，粗调系统包括光源b21、集成滤光共振模块b22、光电探测模块b23、中央处理器b24、微波源b25、功率探测模块b26、C场模块b27以及电流模块b28；

其中，光源b21、集成滤光共振模块b22、光电探测模块b23、中央处理器b24、功率探测模块b26、微波源b25及集成滤光共振模块b22依次连通，中央处理器b24还分别与微波源b25、功率探测模块b26以及电流模块b28连通，C场模块b27分别与集成滤光共振模块b22及电流模快b28块连通。

具体地：

光源b21：由某元素(例如：Rb⁸⁷)辐射出光束至集成滤光共振模块b22中。

集成滤光共振模块b22：里面含有一个充有与光源b21一样元素(例如：Rb⁸⁷)以及该元素的同元素物质(例如：Rb⁸⁵)组成的滤光共振泡。以及用于原子共拥用的谐振腔。需要提出的是：传统工艺中通常会充以惰性气体来作缓冲气体，而本专利为减小微波功率频移，在滤光共振泡中并不充入缓冲气体。

光电探测模块b23：含有一个光电池组成的对光源经集成滤光共振模块处理后的光检信号检测系统，并把检测结果送至中央处理器b24，即用于获取光电检测结果，并将光电检测结果发送至中央处理器b24。

中央处理器b24，用于接收功率探测模块b26发送的功率值检测结果，根据功率值检测结果控制微波源b25，使得微波源b25输出稳定的微波信号功率。还用于接收光电探测模块b23发送的光电检测结果，根据光电检测结果控制电流模块b28，使得电流模块输出恒流。

微波源b25：微波源输出有两路，一路用于完成集成滤光共振模块b22探测信号的制备，另一路送至功率探测模块b26中。即完成一路集成滤光共振模块b22探测信号的制备，另一路送至功率探测模块b26中。其微波频率在上述元素原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率附近。微波源b25受中央处理器b24控制改变其功率输出，以保证微波功率值的稳定。同时微波源b25受中央处理器b24控制改变其频率输出，以完成整个原子谱线的扫频。

功率探测模块b26：用于获取微波源b25输出频率信号的功率值检测结果，并将功率值检测结果发送至中央处理器b24。

C场模块b27：完成集成滤光共振模块b22中的原子分裂及量子化轴所需要的磁场。

电流模块b28：由中央处理器b24控制输出恒流。

实施例：

1、在传统原子谱线检测技术上，我们在集成滤光共振模块b22中的滤光共振泡中并没有充缓冲气体，这样就不存在原子被“囚禁”的问题，这样，由于原子的快速运动，每个原子经受的平均C场模块就是一样的，所以对减小系统微波功率频移有很大好处。

2、在微波源b25输出级新增加了功率探测模块b26，完成对系统微波源b25输出频率信号功率值的检测，并将检测结果传递至中央处理器b24，然后反馈给微波源b25，使其输出微波信号的功率能够稳定。

3、通过中央处理器b24直接改变微波源b25的功率值，获得P1、P2、P3三个或更多值(选择一定范围内值越多，将更有利于本项专利的实施)。同样也可以通过中央处理器b24控制电流模块b28输出不同电流大小值，获得I1、I2、I3值(选择一定范围内值越多，将更有利于本项专利的实施)，因为由C场模块b27及集成滤光共振模块b22组成由膝包线绕在圆柱型谐振腔的磁场构造，所以电流模块b28产生的电流值直接影响了系统磁场的大小，故在这里可以建立磁场大小C(C1、C2、C3)与电流大小I(I1、I2、I3)关系。

中央处理器b24先控制微波源b25输出一个功率值P1，控制电流模28块作用于C场模块获得磁场大小C1，此时中央处理器b24在原子基态超精细结构0-0跃迁中心频率附近，控制微波源b25改变其输出微波频率大小进行扫频，同时通过光电探测模块b23获得相应的光检信号，这样按照传统技术就可以获得原子谱线的中心频率值f11。

此时保证功率值P1不变，顺序改变磁场大小为C2、C3值，按上述方法获得相应的原子谱线中心频率值f12、f13。这样就可以获得一组在微波功率为P1值时的检测系统磁场C与中心频率f的变化关系。同样的道理，改变微波功率值P至P2、P3将获得多组C与中心频率f的变化关系。将这些关系绘制起来将获得如图3c所示的对应关系。

从图3c中，我们可以确定一个磁场值C0，在该值上，微波功率值P1、P2、P3的变化将不会对检测系统中心频率产生影响，本实施例将该磁场值C0定义为零微波功率频移的磁场点。

需要说明的是：在实际的不同的原子谱线检测系统中，我们通过多次对不同系统的上述方法关系曲线的测试，在一些情况下曾发现“微波功率-输出频率”并不一味的遵守正比例的关系，有时在某一台原子钟系统特定的微波功率段中，会出现负比例关系，故若对具体的一台原子谱线检测装置不一定能获得与上图完全一致的关系曲线，且几条线不会完全交于一个点，而是一个区域，在选择时需要做一定的调整方可实施本专利的方法。

细调系统b30：

请参阅图3d，图3d为本发明实施例提供的细调系统b30的一个原理示意图，细调系统包括伺服前级b31、同步鉴相b32、伺服末级b33、压控本振b34、微波探询信号产生电路b35以及峰值探测器b36，其中，

物理系统b40中的光电池、伺服前级b31、同步鉴相b32、伺服末级b33、压控本振b34、微波探询信号产生电路b35以及物理系统b40依次连通，微波探询信号产生电路b35还与同步鉴相b32连通，峰值探测器b36设置在伺服前级b31和伺服末级b33之间。

其中，物理系统b40与微波探询信号产生电路b35组成原子钟的基本配制，在传统的利用同步鉴相的原理通过压控本振实现的量子纠偏完成整机的闭环。

在细调系统b30引入了光检信号峰值检测环节(即接入峰值探测器)，利用经物理系统b40光电池输出的光信号经伺服处理后得到的光检信号(即所谓的锁定信号)的幅度变化来间接反映微波功率变化，引入负反馈的形式反作用于压控本振，实现克服微波功率影响的闭环。

即，为消除微波功率频穆对铷原子钟长期稳定度的有害影响，专利中提出：在伺服电路的前级交流放大器后接峰值探测器b36。

其中，峰值探测器b36的电路图如图3e所示。

如图3e所示，经物理系统b40鉴频输出的信号经伺服处理后，得到所需的光检信号分别输至运放A1和A3，并且光检信号经A3后送至A2。A4和A5是电压跟随器，其输出端V11和V12电压幅值与电容C1和C2上的电压相同(加一级跟随的作用是用这个跟随器提供电流支持)。V11和V12分别送至A6的反相端和同相端，完成N(V12-V11)运算。

其中A1和A4完成光检信号最大峰值的检测：

当光检信号电压大于电容C1电压时，电阻Rf上产生压降，电流从左到右。根据运放的虚断法则D11不会导通。这时充电电流经过D12对C1进行。当光检信号的电压低于电容C1电压时，电阻R2上产生压降，电流从右到左。根据运放的虚断法则D12不会导通，这时电流只有经过D11进入A1。由于电压跟随器A4输出电压与电容C1上的电压相同，二极管D11截止，电容不能导过D11放电，电压得到保护，即电容C1与A4输出V1记录了光检信号的最大峰值。

电容C1有一个放电电阻R1，RC的放电时间常数τ根据实际的光检信号的周期来设定，比如说光检信号的频率为79Hz，则τ取1S即可。

A3完成光检信号反相：

因在微波探询信号上加了小调制，微波探询信号经物理系统鉴频处理，在光电池上反映出光检信号输出。

由图3f可知：光检信号1谷值、峰值均为正，在峰值检测时，故用运放A3先给其反相，得图3f中2所示信号输出，再叠加一个负幅度直流电平Vref，最终完成光检信号高、低电平的转换，得到图3f中3所示的信号输出。

A2和A5完成光检信号最小峰值的检测：

光检信号经过A3处理后，得到信号输出，并送至运放A2的同相端。其中A2和A5原理如上述A1和A3所述，只不过此时刻由于光检信号已经经过运放A3处理，A2和A5完成的是光检信号最小值的检测。

A6完成峰峰值的检测：

经前述处理后的光检信号高电平V11与低电平V12分别送入差分放大器A6，通过调节Ry与Rx的比值，输出(V12-V11)*(Ry/Rx)。

检波后所得的直流电压V₁与锁定信号幅度成正比，把此电压加到伺服电路末缎直流运放的输人端，经处理后得到直流电压K₁V₁。伺服末级放大电路中同时处理传统原子钟原理上的同步鉴相纠偏电平V₀，经伺服末级运放后得到K₀V₀。伺服末级运放采用差分放大电路得到

(K₀V₀-K₁V₁) (4)

直流电平输出，作用于压控本振，实现量子纠偏。

得到原子钟“微波功率-输出频率”关系曲线；以及原子钟“微波功率-光检信号”关系曲线；

根据“微波功率-输出频率”关系曲线以及、“微波功率-光检信号”关系曲线可知：当微波功率变化时，原子钟输出的整机频率、伺服环路处理后的光检信号的幅度均发生变化，并且是正比关系。例如：当某一时刻由于微波功率的变大，导致原子钟输出的整机频率升高Δf，经传统原子钟同步鉴相后，将使压控本振输出频率升高，产生误差纠偏，这就是产生微波功率频移的根本。

在图3d中光检信号的幅度也会由于微波功率的变大而变大，经光检信号峰值检测后式(4)中的V₁变大。从而使(K₀V₀-K₁V₁)减小，将使输出至压控本振的压控电压减小，从而使压控本振输出频率降低，进行补偿，相当于产生一个负的频偏Δf₁，与上述由于微波功率的变大，导致原子钟输出的整机频率升高的正频偏Δf作用，如果控制好式(4)中的比例关系，即可使Δf-Δf₁＝0，即克服了整机微波功率频移的影响

需要说明的是：

1、实现本专利的方法中公式(4)中，各参数的配比需要根据实际的单台原子钟实际情况来决定。式(4)中K₀V₀部分可以完全依据传统原子钟的原理来设置伺服电路中的参数。K₁V₁部分依据图3d中光检信号峰值探测来决定。一个原则是：在(K₀V₀-K₁V₁)作用于压控本振时，要保证压控本振的输出频偏落入物理系统有效线宽范围内，否则整个原子钟系统将会出现脱锁现象。

2、在实际的原子钟系统中，我们通过多次对不同系统的“微波功率-输出频率”关系曲线的测试，在少数情况下曾发现“微波功率-输出频率”并不一味的遵守正比例的关系，有时在某一台原子钟系统特定的微波功率段中，会出现负比例关系。故按照本专利的方法实施时，需要优先通过调整系统参数，选择好微波功率使原子频整机满足“微波功率-输出频率”关系曲线的正比例的关系后，方可实施。

微波场测试模块的有益效果是：通过对系统微波场的测试，能够稳定铷原子钟中微波功率。

三、磁场测试模块

采用磁屏可大大增强铷原子钟抗外界磁场干扰的能力。但在磁屏内仍然存在着有害的磁扰动，如加热电流和阶跃二极管电流产生的磁场，这些场以较为复杂的形式存在，不便于用公式准确的计算，但可以设计实验，通过实验获得的数据较为准确的计算磁场及其影响。

磁致频移是由于原子能级的Zeeman效应引起的，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 (5)

式中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(5)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 (6)

式(6)两边除以原子共振中心频率f₀，对于铷原子钟而言，我们取f₀＝6834.6875MHz，则有

df/f₀＝1.68×10^-7HdH (7)

式(7)左边代表原子钟的频率稳定度，而右边反映了腔泡系统中总磁场大小的变化。

需要指出的是，式(7)中推导出的磁场量是以向量模的大小给出的，并未考虑到向量角的影响。在实际的原子钟腔泡系统中的总磁场应该是用于“原子分裂”及“量子化轴”的C场与剩余磁场的相量叠加而成。我们设计一个总磁场H_∑模型，它由向量H_I及H_γ叠加而成：其中H_I是人为加上的用于“原子分裂”及“量子化轴”的C场，其大小及方向是固定的(可反向)；H_γ由腔泡系统的剩余磁场构成，其大小及方向均未知。向量H_I与向量H_γ相差角度为α。当H_I正负方向时，与磁场H_γ叠加后的有效磁场分别为H_∑和

在原子钟腔泡系统中给定一个固定大小的C场H_I，整个磁场测试模块的原理框如图4所示，磁场测试模块包括频稳测试仪、PC机、C场换向开关、环路开关、光强检测模块、物理系统以及电子线路，其中C场换向开关与物理系统连通，频稳测试仪、PC机、光强检测模块以及物理系统依次连通，频稳测试仪与电子线路中的隔离放大器连通，环路开关分别与物理系统及电子线路中的伺服电路连通。物理系统作为原子标准频率输出参考，电子线路与物理系统构成一个频率锁定环路，用以将压控晶体振荡器VCXO的输出频率锁定在物理系统的原子标准参考频率上。本发明方法通过C场换向开关控制加在腔泡系统中的C场H_I的正反方向，由于整机剩余磁场无论是大小还是方向都是固定的，当C场H_I的方向发生改变时，整机叠加的综合磁场必然会发生变化，通过隔离放大器将C场H_I的方向改变前后的两次频率信号送至外接高稳H钟源的频稳测试仪中分别进行差频测量，将结果送至PC端，通过比较两次频稳测试仪中的差频数据，可以间接得出相应的剩余磁场的大小。

通过改变外界环境的的温度，或间接改变腔泡系统中恒温电路中的控温值，此时整机系统中的剩余磁场会发生改变，通过上述方法采用频稳测试仪分别测量原子钟输出频率信号的差频数值，来评估剩余磁场的变化量对整机指标的影响。

在被动型铷原子钟中，系统所需C场的制法往往是采用螺旋管电流方式，如图4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：

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，

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

采用国际单位制，式(8)及(9)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(5)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。

环路开关决定着整个系统是闭环工作、还是开环工作，其中：

闭环工作：

在此方式下，图4中伺服能够将反馈信号传送至VCXO端，通过PC机测量频稳测试仪的数据。具体的利用反向开关将C场电流反向得到的I₁、I₂中，因开关量的干扰势必引起I₁、I₂绝对值并不完全相等，其中I₁＝1.81680、I₂＝1.81765，利用式(8)转换为相应磁感应强度H_I1、H_I2。频稳测试仪测量的差频值F₁-F₂＝1E-11(其中F₁＝-1.61411E-8、F₂＝-1.61518E-8)则反映了改变C场电流方向，引起的原子跃迁频率改变通过伺服回路反馈到晶体振荡器(VCXO)上的频率变化量，有转换关系：f₁＝F₁×f₀、f₂＝F₂×f₀。

按向量加减法有：

应用公式(11)可得：

f₁＝f₀+574.14H_∑ ² (12)

上述两式相减可得：

|f₁-f₂|＝574.14×2Hγcosα(H_I1-H_I2) (14)

考虑到C场电流在转向时由于开关量干扰存在正向与反向绝对值偏差，但此偏差值很小，故应用公式(8)求得的正、反磁感应强度要视为大小相等，即H_I1＝H_I2＝H_I，所以式(14)可写为：

|f₁-f₂|＝574.14×4HγH_Icosα (15)

对于实测的系统，所加的C场大小为51mG，则剩余磁场最大为：

从式(15)可知，当α分别为0°及90°时，频移量达到最大与最小值，考虑到腔泡系统内主要的磁场制造者非通电加热丝所至，为减小腔泡系统磁场对原子钟频率稳定度的影响，应使加热丝线圈绕向与C场线圈绕向垂直。

开环工作：

在此方式下，图4中伺服是不与VCX0端连接的，通过PC机对光电检测测量数据的访问获得。在上述方案中，改变C场方向，扫物理系统七个峰，估算磁场：

物理系统七个峰中，Zeeman Frequency定义为峰1、峰2或者峰1、峰3间的频差；

峰2(MHz) 峰1(MHz) 峰3(MHz)

C场电流正方向 19.338900 19.412170 19.485580

C场电流负方向 19.340860 19.412160 19.483480

通过对比上述实验数据可知，在C场电流方向发生改变时，Zeeman Frequency发生了变化。在实验中，由于C场电流本身在反向时，数值上发生了变化，具体改变的数据可以通过Zeeman Frequency与C场大小的经验公式计算(0.7KHz/1mG)。假如在保证C场电流正反向数值完全一致的话，Zeeman frequency在电流方向改变前后的数值，就能够较好的反应磁场的大小。

四、温度场测试模块：

本发明实施例提供一种温度场测试模块，温度场测试模块包括原子钟系统、频率计数器、高稳H钟源、寄存器、处理器、恒温箱、第一测量模块、第二测量模块、第三测量模块以及第四测量模块。以下分别进行详细说明。

请参阅图5a，图5a是本发明实施例提供的温度场测试模块一个总体原理示意图。

如图5a所示，本发明实施例中，温度场测试模块中的原子钟系统10置于恒温箱c20的恒温环境中，原子钟系统c10、频率计数器c30、寄存器c40、处理器c50以及恒温箱c20连通，频率计数器c30还与高稳H钟源c60(高稳氢钟源)连通，第一测量模块c70、第二测量模块c80、第三测量模块c90以及第四测量模块c100均分别与处理器c50、恒温箱c20以及原子钟系统c10连通。

在本实施例中，待测的原子钟系统c10需置于一个恒温环境中，实施例中具体选择了一个温度可控的恒温箱c20，其温度可控精度优于0/1℃，需要说明的是为进一步提高本专利测量精度，恒温箱c20的控温精度越高越好，如可以进一步选择控温精度优于0.05℃的设备。

原子钟系统c10输出的频率信号直接送至频率计数器c30的测量端，同时高稳H钟源c60信号送至频率计数器c30的时钟参考端，频率计数器c30在处理器c50控制使能信号作用下开始计数，并将测量结果送至寄存器c40中存储。

寄存器c40在处理器c50数据访问信号使能时，将频率计数器c30的测量数据传送至处理器c50中做数据处理。

处理器c50一方面使能频率计数器c30开始计数，另一方面对寄存器c40存储的频率计数数据进行访问，同时还兼顾恒温箱c20温度改变的控制功能及温度测量结果存储功能。最终计算原子钟系统温度系数并输出。

整个原理图中各模块正常工作时，处理器c50发送温度改变使能控制信号至恒温箱c20，如设置恒温箱温度为T1＝25℃，相应的恒温箱c20控温功能启动，并使原子钟系统c10所处的恒温箱c20内环境工作温度恒定在25℃ 0.1℃范围内。处理器通过访问贴在恒温箱c20内表面的热敏电阻温度传感器(第一热敏电阻)，获得实际的温度信息T1’。待温度恒定后(此过程需等待30分钟以上，这样有利于提高本专利的测量精度，具体的判断由处理器访问温度信息T1’数据决定)，处理器c50使能频率计数器c30使其在高稳H钟源时钟参考下对原子钟输出信号频率进行计数，频率计数器c30完成N次采样，如N＝100，并将每次测量数据传送至寄存器c40，处理器c50通过对寄存器c40的访问获得频率计数N次采样的数据f11、f12、…，f1N，并进行算术平均获得T1＝25℃时原子钟输出信号频率平均值f1。

同样的工作原理，可获得T2＝30℃时原子钟(原子钟系统)输出信号频率平均值f2。那么本专利整机的温度场系数计算方法为：

其中f＝f2-f1，f＝(f1+f2)/2，T＝T2-T1。

需要说明的是：

1、其计算出的系统温度系数可为正，亦可为负。

2、实施例中在选择T的变化范围时，可以根据实际原子钟工作条件进行设置，如实际工作环境温度为28℃，变化为1℃，那么实施时可以设定恒温箱的T1＝27℃，T2＝29℃，这样可以获得更接近于实际的系统温度系数值，即进一步提高了测量精度。

请参阅图5b，图5b为本实施例提供的第一测量模块的一个原理示意图，第一测量模块包括原子钟系统c10中的光谱灯c11、第一控温模块c71、第一测量模块c72、显示模块c73、恒温箱c20以及处理器c50，第一控温模块c71以及第一测温模块c72均分别与光谱灯c11及处理器c50连通，显示模块c73与处理器c50连通。

请参阅图5c，图5c为本发明实施例提供的第二测量模块c80的一个原理示意图，其中，第二测量模块c80包括原子钟系统中的腔泡系统c12、第二控温模块c81、第二测量模块c82、恒温箱c20以及处理器c50，第二控温模块c81以及第二测温模块c82均分别与腔泡系统c12及处理器c50连通。

请参阅图5d，图5d为本发明实施例提供的第三测量模块c90的一个原理示意图，其中，第三测量模块c90包括腔泡系统c12、第三控温模块c91、第三测温模块c92、处理器c50以及弱磁探头c93，弱磁探头c93分别与腔泡系统c12及处理器c50连通，第三控温模块c91以及第三测温模块c92均分别与腔泡系统c12及处理器c50连通。

请参阅图5e，图5e为本发明实施例提供的第四测量模块c100的一个原理示意图，第四测量模块c100包括光电信号采集模块c101、程控放大模块c102、压控变换模块c103、VCXO模块c104、温度采集模块c105、温度补偿模块c106以及处理器c50，光电信号采集模块c101、程控放大模块c102、压控变换模块c103、VCXO模块c104、温度采集模块c105、温度补偿模块c106、处理器c50以及程控放大模块c102依次连通，压控变换模快c103还分别与所述处理器c50及所述温度补偿模块c106连通。

本发明提供的温度场测试模块通过对原子钟系统中温度场的测试，可以通过处理器确定原子钟系统温度系数，通过第一测量模块确定光谱灯的控温能力，通过第二测量模块确定腔泡系统的控温能力，通过第三测量系统确定腔泡系统磁温度场系数以及通过第四测量模块确定为温度场有关设备选择最优的工作参数点，所以本发明提供的温度场测试系统能够确定原子钟的性能以及为温度场有关设备选择最优的工作参数点。

五、电场测试模块：

参阅图6，图6是本发明实施例提供的电场测试模块一个总体原理示意图，该电场测试模块包括包括压控振荡器VCXO模块d21、探测信号生成模块d22、物理系统d23、D/A控制模块d24、处理器d25、光开关模块d26、逻辑门阵列d27、A/D采样模块d28、微商计数模块d29、增益控制模块d210、感应时间模块d211以及采样信号显示模块d212，其中：

处理器d25分别与VCXO模块d21、探测信号生成模块d22、D/A控制模块d24、光开关模块d26、逻辑门阵列d27、A/D采样模块d28、微商计数模块d29以及感应时间模块d211连通；

VCXO模块d21还分别与探测信号生成模块d22及D/A控制模块d24连通，物理系统d23分别与光开关模块d26、探测信号生成模块d22及A/D采样模块d28连通，增益控制模块d210与微商计数模块d29连通，采样信号显示模块d212与感应时间模块d211连通。其中，物理系统d23包括腔泡系统以及光源模块，其中，腔泡系统与探测信号生成模块d22连通，光源模块与光开关模块d26连通。

本发明实施例提供的电场测试系统，通过对系统电场的测试，确定感应时间，并根据该感应时间调整同步信号，从而调整系统的相位差，提高整机性能。

此外，本实施例提供的电场测试模块还可以求得系统斜率值，斜率值K与系统性能有关，可以用斜率值K衡量原子钟的短期稳定度，K越大稳定度越高，其中，本实施例中斜率值K可以通过采样信号显示d212模块输出，使得用户可以获得原子钟的短期稳定度性能。

以上对本发明实施例所提供的一种原子钟场强测试系统进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施例进行了阐述，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，对于本领域的技术人员，依据本发明的思想，在具体实施例及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种原子钟场强测试系统，其特征在于，信息原子钟场强测试系统包括光场测试模块、微波场测试模块、磁场测试模块、温度场测试模块以及电场测试模块，其中：

所述电场测试模块包括VCX0模块、探测信号生成模块、物理系统、D/A控制模块、处理器、光开关模块、逻辑门阵列、A/D采样模块、微商计数模块、增益控制模块、感应时间模块以及采样信号显示模块。

2.根据权利要求1所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，在所述光场测试模块中，所述原子钟模块包括光谱灯、磁性超精细成分滤光片、光控模块、谐振腔、集成滤光共振泡、光电池、微波探询信号产生电路以及微处理器；

3.根据权利要求2所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，所述光谱灯包括光源、印制板底、印制板盖以及印制版面，所述印制板底设置在所述光源底部、所述印制板盖设置在所述光源顶部，所述印制版面设置在所述光源四周，其中，所述印制版盖在所述光源的出光方向设置有透光孔；

4.根据权利要求1所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，所述微波场测试模块中，所述粗调系统包括光源、集成滤光共振模块、光电探测模块、中央处理器、微波源、功率探测模块、C场模块以及电流模块；

5.根据权利要求4所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，所述微波源输出有两路，一路用于完成所述集成滤光共振模块探测信号的制备，另一路送至所述功率探测模块中。

6.根据权利要求1所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，所述温度场测试模块中：所述第一测量模块包括所述原子钟模块中的光谱灯、第一控温模块、第一测量模块、显示模块、所述恒温箱以及所述处理器，所述第一控温模块以及所述第一测温模块均分别与所述光谱灯及所述处理器连通，所述显示模块与所述处理器连通；

7.根据权利要求6所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，所述恒温箱内部贴有第一热敏电阻，所述第一热敏电阻用于获取所述恒温箱的实际温度信息。

8.根据权利要求7所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，所述腔泡系统包括腔体、磁感应线圈、第一磁屏层以及第二磁屏层，所述腔体、所述磁感应线圈、所述第一磁屏层以及所述第二磁屏层从内至外依次设置。

9.根据权利要求1所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，所述电场测试模块中，所述处理器分别与所述VCXO模块、探测信号生成模块、D/A控制模块、光开关模块、逻辑门阵列、A/D采样模块、微商计数模块以及感应时间模块连通；

10.根据权利要求9所述的原子钟场强测试系统，其特征在于，所述探测信号生成模块包括AD9852芯片。