CN114355753B - 一种光频原子钟闭环锁定状态探测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光频原子钟闭环锁定状态探测系统，包括激光发射模块、原子束管、参数探测模块、PID模块、荧光探测器、专家诊断库、反馈控制模块；参数探测模块包含多个参数探测单元，第二波长激光在第一波长激光与原子束管的原子作用前、后的波长和功率值；荧光探测器探测后的电信号电压值；经过PID模块后的电信号电压值；原子炉温度、原子共振信号以及原子束管的温度；PID模块检测PID锁定参数。本发明瞄准目前原子光钟闭环锁定状态缺乏智能化监测的问题，创新性地提出利用多个电路模块，探测电压、带宽等指标，并对多项参数进行实时监测控制，分析内在关联，有助于提高系统闭环锁定指标。

Description

一种光频原子钟闭环锁定状态探测系统

技术领域

本发明涉及原子频标技术领域，更具体涉及一种用于探测光频原子钟闭环锁定状态时多项技术指标，优化光频原子钟应用场景，提高人机交互程度，实现整钟技术指标关联分析。

背景技术

光频原子钟技术是指标超越了传统微波钟两个量级以上新型原子钟技术，将有望改变未来时频体系形式、通信形式等，对光频原子钟及其相关技术的研究是未来卫星导航定位精度和自主运行能力提升的必然要求，在科技发展中有重要意义。通过开展光频原子钟研究可极大地提高我国时频体系实力；对光频原子钟的研究，运用的一直以来都是最前沿的先进技术，面对的也是最具挑战的难题；未来光频原子钟有望替代现行基于微波原子钟的秒定义，并从多个方面影响国防建设、社会经济生活。

基于原子束的光频标技术研究，国外的主要研究单位有德国PTB、美国NIST、USNO、西澳大利亚大学等单位，目前USNO正在开展集成样机研究。小型原子束光钟方案最早由PTB提出，1996年PTB实现的小型原子束光频标，利用了光学Ramsey场和三次谐波锁定的方案，稳定度达到9E-13@1s。美国NIST于2006年实现的光频标系统稳定度优于3E-15@1s，利用了光学Ramsey场的方法；在2017年，NIST利用其实验室内超窄线宽钟跃迁激光和两套原子束对向传播的方案，获得了极优的稳定度指标，将秒级稳定度降低到4.6E-16，10-1000s内的稳定度均优于2E-16。西澳大利亚大学于2010年实现了原子束光频标系统闭环，利用了Ramsey场探测和三次谐波锁定方案，秒级稳定度达到9.2E-14，64s稳定度达到2E-14。

目前国内开展的基于热原子束的光学量子频标研究，已经实现了小型化的真空物理系统、实现了原子光谱探测与锁定，正在开展系统闭环研究。基于这种热原子束方案的光学量子频标，环内锁定稳定度达到2E-14/√τ(1-100s)，预期长稳和不确定度可以达到E-16量级，针对闭环锁定状态下的原子钟系统，目前现有研究对整钟指标测试分析能力不足，改进优化受限，需要对电压、原子炉温度、激光波长、功率等信号进行有针对性的、有效的监控与控制，拟设计一套原子钟信号探测与控制电路达到探测优化原子钟闭环锁定状态信号的目的，实现闭环锁定状态下的指标采集分析。

由此可见，设计出一种光频原子钟闭环锁定状态电压探测方法是提高光频原子钟指标的重要一步。

发明内容

本申请提供了一种光频原子钟闭环锁定状态探测系统，旨在解决原子光钟闭环锁定状态缺乏多维度、多指标智能化监测的问题的技术问题。所述技术方案如下：

一种光频原子钟闭环锁定状态探测系统，所述系统包括：激光发射模块、原子束管、参数探测模块、PID模块、荧光探测器、专家诊断库、反馈控制模块；

所述参数探测模块包含多个参数探测单元，同时采集所述激光控制模块发出的第一波长激光与所述原子束管中的原子相互作用之后的波长和功率值；第二波长激光在所述第一波长激光与所述原子束管的原子作用前、后的波长和功率值；所述荧光探测器探测后的电信号电压值；经过PID模块后的电信号电压值；原子炉温度、原子共振信号以及所述原子束管的温度；

所述PID模块检测PID锁定参数；

所述专家诊断库中根据所述参数探测模块所采集的参数计算得出稳定度，并根据所述采集的参数以及所述稳定度作出综合性的判断；

所述反馈控制模块根据所述专家诊断库作出的判断决定需要作出动态调整的参数以及所述参数动态调整的范围。

进一步地，所述稳定度由下述公式计算得出：

式中N为每组参数测量的次数，τ为取样间隔，x_i表示所述参数探测模块所采集的参数。

所述参数探测模块的参数探测频率可调节；所述专家诊断库的诊断频率可随探测频率的增减而自动增减；所述专家诊断库的诊断频率也可由用户调节为不高于所述参数探测模块的参数探测频率的任意正数值。

进一步地，所述第一波长激光的波长、所述第二波长激光的波长、所述参数探测单元的数量、位置与类型可根据光钟的类型进行调节和改变；

同时所述系统可根据光钟的类型向用户推荐所述第一波长激光的波长、所述第二波长激光的波长、所述参数探测单元的数量的一般设定值、以及所述参数探测单元常规摆放位置和常规类型；也可根据用户的需求对上述参数进行相应的调节后给出参数的推荐范围。

进一步地，所述专家诊断库还包含参数的第一阈值范围、第二阈值范围以及参数之间的关系式，所述参数的第二阈值范围的最小值小于等于第一阈值范围的最小值，参数的第二阈值范围的最大值大于等于第一阈值范围的最大值，且第一阈值范围与第二阈值范围不能完全一致；

光钟类型为钙原子光钟时，所述第一波长激光的波长为657nm、第二波长激光的波长为423nm；

光钟类型为锶原子光钟时，所述第一波长激光的波长为689nm、第二波长激光的波长为813nm；

进一步地，所述系统还包括：偏振分光棱镜、反射镜；

所述反射镜包含反射镜A、反射镜B；

所述荧光探测器包含荧光探测器A、荧光探测器B；

所述参数探测模块包含8个参数探测单元，分别为参数探测单元A、参数探测单元B、参数探测单元C、参数探测单元D、参数探测单元E、参数探测单元F、参数探测单元G、参数探测单元H；

所述PID模块包含2个PID单元，分别为PID单元A、PID单元B；

所述激光发射模块、参数探测单元A、PID单元A、参数探测单元B、荧光探测器A、原子束管、参数探测单元C、偏振分光棱镜、参数探测单元D、反射镜A、荧光探测器B、参数探测单元E、参数探测单元F、反射镜B、参数探测单元G、PID单元B、参数探测单元H依次排列安装；

所述反馈控制模块可根据所述参数探测单元A和参数探测单元B的测量值调节所述PID单元A的PID锁定参数，可根据所述参数探测单元C的测量值调节所述原子束管的温度，可根据参数探测单元E和参数探测单元H的测量值调节PID单元B的PID锁定参数，可根据参数探测单元D调节第二波长激光在第一波长激光与原子作用前后经过偏振分光棱镜的功率和波长。

进一步地，所述稳定度在第一区间时，所述专家诊断系统判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内则认为系统具有优秀稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则需要进行自动的参数动态调整；

所述稳定度在第二区间时，所述专家诊断系统判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内则认为系统具有良好稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则提醒用户参数需要进行动态调整，请用户选择是进行系统自动的参数调整还是由用户自己进行参数调整；

所述稳定度在第三区间时，所述专家诊断系统判断参数是否在所述第一阈值范围内，如果参数均在第一阈值范围内且满足专家库中参数之间的关系式则认为系统具有良好稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内提醒用户参数需要进行动态调整，请用户选择是进行系统自动的参数调整还是由用户自己进行参数调整；如果参数不在第二阈值范围内提醒用户参数需要进行动态调整，并根据参数提示用户相应的调整策略，由用户自行对参数进行动态调整。

进一步地，所述第一区间为(0，e-14)，第二区间为[e-14，e-13]，第三区间为(e-13，+∞)。

所述反馈控制模块所进行的系统的自动参数调整的程序可以由用labview或者python编译，用户可以选择不同的编译平台所生成的程序集进行使用。

本申请提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

瞄准目前原子光钟闭环锁定状态缺乏监测的问题，创新性地提出利用多个参数探测单元，探测电压、带宽等指标，并对多项参数进行实时监测控制，优化原子光钟应用场景，提高人机交互程度。

参数探测单元易拆装可以实现符合用户要求的多维度、多指标的监测，提高系统闭环锁定指标，突破现有测量方法，对原子光钟系统的研制具有重要的研究意义和极高的研究价值，潜在应用于国内其他开展研制原子光钟系统研制的科研院所及高校。

通过设置部分指标的范围来判断是否触发负反馈，节约系统的处理资源，优化数据观测以及处理效率；通过设置不同触发条件来判断是否是自动调节还是提醒用户调节参数节约了人工成本，系统智能化程度提高。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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1是本申请实施例提供的光频原子钟闭环锁定状态探测系统电路连接示意图；

图1中，1-激光发射模块，2-参数探测单元A，3-PID单元A，4-参数探测单元B，5-原子束管，6-参数探测单元C，7-偏振分光棱镜，8-参数探测单元D，9-反射镜A，10-参数探测单元E，11-参数探测单元F，12-反射镜B，13-参数探测单元G，14-PID单元B，15-参数探测单元H，16-荧光探测器A，17-荧光探测器B。

具体实施方式

为使得本申请实施例的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分实施例，而非全部实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本申请相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本申请的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

请参见图1，图1示出本申请的实施例，光频原子钟闭环锁定状态探测系统的连接电路的示意图。

光频原子钟闭环锁定状态探测系统包括：激光发射模块、原子束管、参数探测模块、PID模块、荧光探测器、专家诊断库、反馈控制模块；

本实施例中，激光发射模块选用激光控制器；

所述参数探测模块包含多个参数探测单元，同时采集所述激光控制模块发出的第一波长激光与所述原子束管中的原子相互作用之后的波长和功率值；第二波长激光在所述第一波长激光与所述原子束管的原子作用前、后的波长和功率值；所述荧光探测器探测后的电信号电压值；经过PID模块后的电信号电压值；原子炉温度、原子共振信号以及所述原子束管的温度；

所述PID模块检测PID锁定参数；

所述专家诊断库中根据所述参数探测模块所采集的参数计算得出稳定度，并根据所述采集的参数以及所述稳定度作出综合性的判断；

所述反馈控制模块根据所述专家诊断库作出的判断决定需要作出动态调整的参数以及所述参数动态调整的范围；

本实施例中，所述反馈控制模块选用负反馈控制模式。

进一步地，所述稳定度由下述公式计算得出：

式中N为每组参数测量的次数，τ为取样间隔，x_i表示所述参数探测模块所采集的参数。

所述参数探测模块的参数探测频率可调节；所述专家诊断库的诊断频率可随探测频率的增减而自动增减；所述专家诊断库的诊断频率也可由用户调节为不高于所述参数探测模块的参数探测频率的任意正数值。

进一步地，所述第一波长激光的波长、所述第二波长激光的波长、所述参数探测单元的数量、位置与类型可根据光钟的类型进行调节和改变；

同时所述系统可根据光钟的类型向用户推荐所述第一波长激光的波长、所述第二波长激光的波长、所述参数探测单元的数量的一般设定值、以及所述参数探测单元常规摆放位置和常规类型；也可根据用户的需求对上述参数进行相应的调节后给出参数的推荐范围。

进一步地，所述专家诊断库还包含参数的第一阈值范围、第二阈值范围以及参数之间的关系式，所述参数的第二阈值范围的最小值小于等于第一阈值范围的最小值，参数的第二阈值范围的最大值大于等于第一阈值范围的最大值，且第一阈值范围与第二阈值范围不能完全一致；

光钟类型为钙原子光钟时，所述第一波长激光的波长为657nm、第二波长激光的波长为423nm；

光钟类型为锶原子光钟时，所述第一波长激光的波长为689nm、第二波长激光的波长为813nm；

本实施例中，光钟类型为钙原子光钟，所述第一波长激光的波长设置为657nm、第二波长激光的波长设置为423nm。

进一步地，所述系统还包括：7-偏振分光棱镜、反射镜；

所述反射镜包含9-反射镜A、12-反射镜B；

所述荧光探测器包含16-荧光探测器A、17-荧光探测器B；

所述参数探测模块包含8个参数探测单元，分别为2-参数探测单元A，4-参数探测单元B，6-参数探测单元C，8-参数探测单元D，10-参数探测单元E，11-参数探测单元F，13-参数探测单元G，15-参数探测单元H，本实施例中，参数探测单元选用电压探测器；

所述PID模块包含2个PID单元，分别为3-PID单元A、14-PID单元B；

所述激光发射模块、参数探测单元A、PID单元A、参数探测单元B、荧光探测器A、原子束管、参数探测单元C、偏振分光棱镜、参数探测单元D、反射镜A、荧光探测器B、参数探测单元E、参数探测单元F、反射镜B、参数探测单元G、PID单元B、参数探测单元H如图1依次排列安装；

所述反馈控制模块可根据所述参数探测单元A和参数探测单元B的测量值调节所述PID单元A的PID锁定参数，可根据所述参数探测单元C的测量值调节所述原子束管的温度，可根据参数探测单元E和参数探测单元H的测量值调节PID单元B的PID锁定参数，可根据参数探测单元D调节第二波长激光在第一波长激光与原子作用前后经过偏振分光棱镜的功率和波长；

本实施例中，当客户需要减少参数探测单元提高系统运行速度时，可以把PID模块前的4-参数探测单元B和10-参数探测单元E拆卸，根据2-参数探测单元A和15-参数探测单元H控制PID模块；当客户需要提高监测精度时，可以在第一波长激光和第二波长激光出射之后加装探测器，探测出射光未与原子作用前功率。

进一步地，所述稳定度在第一区间时，所述专家诊断系统判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内则认为系统具有优秀稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则需要进行自动的参数动态调整；

所述稳定度在第二区间时，所述专家诊断系统判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内则认为系统具有良好稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则提醒用户参数需要进行动态调整，请用户选择是进行系统自动的参数调整还是由用户自己进行参数调整；

所述稳定度在第三区间时，所述专家诊断系统判断参数是否在所述第一阈值范围内，如果参数均在第一阈值范围内且满足专家库中参数之间的关系式则认为系统具有良好稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内提醒用户参数需要进行动态调整，请用户选择是进行系统自动的参数调整还是由用户自己进行参数调整；如果参数不在第二阈值范围内提醒用户参数需要进行动态调整，并根据参数提示用户相应的调整策略，由用户自行对参数进行动态调整。

进一步地，所述第一区间为(0，e-14)，第二区间为[e-14，e-13]，第三区间为(e-13，+∞)。

所述反馈控制模块所进行的系统的自动参数调整的程序可以由用labview或者python编译，用户可以选择不同的编译平台所生成的程序集进行使用。

在本申请所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的系统，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的系统连接电路实施例仅仅是示意性的，例如，模块的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个模块或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

作为分离部件说明的模块可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块显示的部件可以是或者也可以不是物理模块，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络模块上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。

另外，在本申请各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

需要说明的是，对于前述的各方法实施例，为了简便描述，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域技术人员应该知悉，本申请并不受所描述的动作顺序的限制，因为依据本申请，某些步骤可以采用其它顺序或者同时进行。其次，本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定都是本申请所必须的。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本申请所提供的一种光频原子钟闭环锁定状态电压探测系统的描述，对于本领域的技术人员，依据本申请实施例的思想，在具体实施方式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申请的限制。

Claims (5)

1.一种光频原子钟闭环锁定状态探测系统，其特征在于，所述系统包括：激光发射模块、原子束管、参数探测模块、PID模块、荧光探测器、专家诊断库、反馈控制模块、偏振分光棱镜、反射镜；

所述参数探测模块包含多个参数探测单元，同时采集所述激光发射模块发出的第一波长激光与所述原子束管中的原子相互作用之后的波长和功率值；第二波长激光在所述第一波长激光与所述原子束管的原子作用前、后的波长和功率值；所述荧光探测器探测后的电信号电压值；经过PID模块后的电信号电压值；原子炉温度、原子共振信号以及所述原子束管的温度；

所述PID模块检测PID锁定参数；

所述专家诊断库中根据所述参数探测模块所采集的参数计算得出稳定度，并根据所述采集的参数以及所述稳定度作出综合性的判断，所述稳定度由下述公式计算得出：

式中N为每组参数测量的次数，τ为取样间隔，x_i表示所述参数探测模块所采集的参数；

所述参数探测模块的参数探测频率可调节；所述专家诊断库的诊断频率可随探测频率的增减而自动增减；所述专家诊断库的诊断频率也可由用户调节为不高于所述参数探测模块的参数探测频率的任意正数值；

所述反馈控制模块根据所述专家诊断库作出的判断决定需要作出动态调整的参数以及所述参数动态调整的范围；

所述反射镜包含反射镜A、反射镜B；

所述荧光探测器包含荧光探测器A、荧光探测器B；

所述参数探测模块包含8个参数探测单元，分别为参数探测单元A、参数探测单元B、参数探测单元C、参数探测单元D、参数探测单元E、参数探测单元F、参数探测单元G、参数探测单元H；

所述PID模块包含2个PID单元，分别为PID单元A、PID单元B；

所述激光发射模块、参数探测单元A、PID单元A、参数探测单元B、荧光探测器A、原子束管、参数探测单元C、偏振分光棱镜、参数探测单元D、反射镜A、荧光探测器B、参数探测单元E、参数探测单元F、反射镜B、参数探测单元G、PID单元B、参数探测单元H依次排列安装；

所述反馈控制模块可根据所述参数探测单元A和参数探测单元B的测量值调节所述PID单元A的PID锁定参数，可根据所述参数探测单元C的测量值调节所述原子束管的温度，可根据参数探测单元E和参数探测单元H的测量值调节PID单元B的PID锁定参数，可根据参数探测单元D调节第二波长激光在第一波长激光与原子作用前后经过偏振分光棱镜的功率和波长。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一波长激光的波长、所述第二波长激光的波长、所述参数探测单元的数量、位置与类型可根据光钟的类型进行调节和改变；

同时所述系统可根据光钟的类型向用户推荐所述第一波长激光的波长、所述第二波长激光的波长、所述参数探测单元的数量的一般设定值、以及所述参数探测单元常规摆放位置和常规类型；也可根据用户的需求对上述参数进行相应的调节后给出参数的推荐范围。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述专家诊断库还包含参数的第一阈值范围、第二阈值范围以及参数之间的关系式，所述参数的第二阈值范围的最小值小于等于第一阈值范围的最小值，参数的第二阈值范围的最大值大于等于第一阈值范围的最大值，且第一阈值范围与第二阈值范围不能完全一致；

光钟类型为钙原子光钟时，所述第一波长激光的波长为657nm、第二波长激光的波长为423nm；

光钟类型为锶原子光钟时，所述第一波长激光的波长为689nm、第二波长激光的波长为813nm。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述稳定度在第一区间时，所述专家诊断库判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内则认为系统具有优秀稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则需要进行自动的参数动态调整；

所述稳定度在第二区间时，所述专家诊断库判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内则认为系统具有良好稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则提醒用户参数需要进行动态调整，请用户选择是进行系统自动的参数调整还是由用户自己进行参数调整；

所述稳定度在第三区间时，所述专家诊断库判断参数是否在所述第一阈值范围内，如果参数均在第一阈值范围内且满足专家库中参数之间的关系式则认为系统具有良好稳定性，提供给反馈控制模块的判断结果为不需要对参数进行动态调整；否则判断参数是否在所述第二阈值范围内，如果参数均在第二阈值范围内提醒用户参数需要进行动态调整，请用户选择是进行系统自动的参数调整还是由用户自己进行参数调整；如果参数不在第二阈值范围内提醒用户参数需要进行动态调整，并根据参数提示用户相应的调整策略，由用户自行对参数进行动态调整。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述稳定度的第一区间为(0，e-14)，第二区间为[e-14，e-13]，第三区间为(e-13，+∞)；

所述反馈控制模块所进行的系统的自动参数调整的程序可以由用labview或者python编译，用户可以选择不同的编译平台所生成的程序集进行使用。