CN1619967A

CN1619967A - 被动型原子频标体系内优势组合的方法及其装置

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Publication number: CN1619967A
Application number: CN 200410061235
Authority: CN
Inventors: 雷海东; 王艳; 李超; 余钫; 金鑫; 管妮娜; 陈云启; 左毅力; 朱熙文; 胡昌泉; 盛荣武
Original assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Current assignee: Wuhan Institute of Physics and Mathematics of CAS
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2005-05-25
Anticipated expiration: 2024-11-30
Also published as: CN100495926C

Abstract

本发明公开了一种被动型原子频标体系内优势组合的方法，涉及一种被动型原子频率标准；本方法是：①将一台被动型原子频标的物理系统和压控石英振荡器看成两个长、短稳各优、相对独立的频率源；在一个体系内，将两者的优势组合起来。②采用特殊伺服部件，依压控石英振荡器性质不同，将环路响应时间拉长至1S－10S，实现体系内优势组合。本装置的伺服系统3由79Hz选频放大10、方波整形器11、第1锁存驱动电路12a、第2锁存驱动电路12b、第1锁存器13a、第2锁存器13b、走时计数器14、单片机15、数模转换器16组成；本发明可广泛应用于导航定位、多普勒测速、合成孔径成像、动态跟踪等领域的被动型氢原子频标、被动型铷原子频标、被动型铯束原子频标。

Description

被动型原子频标体系内优势组合的方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种被动型原子频率标准，具体地说，涉及一种被动型原子频标体系内优势组合的方法及其装置；可广泛应用于导航定位、多普勒测速、合成孔径成像、动态跟踪等领域的被动型氢原子频标、被动型铷原子频标、被动型铯束原子频标。

背景技术

与高稳晶振相比，被动型原子频标具有良好的长期稳定度，尤其是被动型铷原子频标由于其体积小、重量轻、功耗低，在工程上具有十分重要的应用价值。但是由于物理机理的限制，被动型原子频标的短稳指标不够好，限制了它们在诸如多普勒测速、动态定位和跟踪等工程领域的应用。

氢原子激射器虽然长、短稳均优，但是由于其体积、功耗、重量过大，限制了它在工程领域中的应用。为了获得长、短稳兼优的原子频标，满足工程的实际需要，人们提出了用两台原子频标组合成一台频标，达到长、短稳兼优目标的方法。在此方法中有把Rb激射器和被动型铷原子频标组合成一台频标的方案；有把激光抽运铷原子频标和谱灯抽运铷原子频标组合成一台频标的方案。从原则上讲，上述方案均可以达到长、短稳兼优的目的，但毕竟两台频标组合成一台频标，大大增加了整机的体积、重量、功耗，限制了这些方案在工程上的应用。

发明内容

本发明的目的就在于克服现有技术存在的上述缺点和不足，而提供一种被动型原子频标体系内优势组合的方法及其装置；在保持被动型原子频标体积、重量、功耗、长稳优良特性的基础上，提高整机的短稳指标，满足工程任务对被动型原子频标长、短稳兼优的要求。

本发明的目的是这样实现的：在被动型原子频标中，量子系统本身提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线。压控石英晶体振荡器本身短稳良好，并且随着压控石英晶体振荡器研究的深入发展，它的短稳越来越好，目前商品压控石英晶体振荡器的秒级稳定度已达1×10^-13/s，而实验室里压控石英晶体振荡器的秒级稳定度已达7×10^-14/s。本发明的技术要点在于提出了体系内优势组合的方法，通过大尺度的控制环路响应时间的途径，组合两者的优势，将量子系统良好的长期频率稳定度与准确度传递给压控石英晶体振荡器，而使压控石英晶体振荡器自身良好的短期稳定度得以保持。在不增加整机体积、重量、功耗的基础上，实现长、短稳兼优的目的，为工程应用提供长短稳兼优的频率源；按体系内优势组合的方案，在本装置伺服系统中，采用了大尺度改变环路响应时间的新方案。

1、方法

①将一台被动型原子频标的物理系统和压控石英振荡器看成两个长、短稳各优、相对独立的频率源，在一个体系内，将两者的优势组合起来；

②采用特殊伺服部件，即采用响应时间大尺度可调的伺服部件，依压控石英振荡器性质不同，将环路响应时间拉长至1S-10S，实现体系内优势组合。

具体步骤如下：

①在本装置中，物理系统7提供一个中心频率6.8346875GHz、线宽600Hz左右的原子共振吸收峰，用作量子鉴频器；来自压控晶体振荡器8的5MHz信号经隔离放大器9分别送至综合器4与射频倍频器1，在综合器4上产生一个79Hz的信号送至伺服系统3用作同步鉴相的参考，同时产生一个79Hz调频的5.3125MHz信号送至射频倍频器1，经与射频倍频器1产生的90MHz信号混合送至微波倍频器2，在微波倍频器2上产生一个79Hz调频的6.8346875GHz微波信号，将此信号送至物理系统7作量子鉴频，解调出79Hz调制信号；

②当6.8346875GHz信号的中心频率(等效于晶振的频率)低于原子共振吸收峰的频率时，解调出的79Hz信号与同步鉴相79Hz参考信号同相；当6.8346875GHz信号的中心频率高于原子共振吸收峰的频率时，解调出的79Hz信号与同步鉴相79Hz参考信号反相；当6.8346875GHz信号的中心频率等于原子共振吸收峰的频率时，解调出的79Hz二倍频信号，经伺服选频放大10，选出79Hz基频，基频信号与同步鉴相79Hz参考信号正交(90°)；

③通过伺服系统3单元控制压控晶体振荡器8频率，使6.8346875GHz的微波信号中心频率对准原子共振吸收峰频率，从而使解调出的79Hz基频信号始终保持与79Hz同步鉴相保持正交，即把压控晶体振荡器8频率锁到了原子共振吸收峰上。

2、装置

由图1可知，本装置由射频倍频器1、微波倍频器2、伺服系统3、综合器4、控温器5、C场恒流源6、物理系统7、压控晶体振荡器8、隔离放大器9、走时计数器14组成；

各部件之间的连接关系是：

物理系统7分别与控温器5、C场恒流源6、微波倍频器2、伺服系统3连接；其中控温器5为物理系统7光谱灯及吸收泡提供控温；C场恒流源6为物理系统7提供原子共振跃迁所需的磁场；物理系统7的量子鉴频信号送至伺服系统3，用作同步鉴相。

伺服系统3分别与综合器4、压控晶体振荡器8连接；其中物理系统7的79Hz量子鉴频信号及综合器4的79Hz同步参考信号分别送至伺服系统3，用作同步鉴相；伺服系统3中的数模转换器16将纠偏电压信号送至压控晶体振荡器8。

隔离放大器9分别与压控晶体振荡器8、综合器4、射频倍频器1、走时计数器14连接；其中压控晶体振荡器8将5MHz信号送至隔离放大器9，隔离放大器9将5MHz信号分别送至综合器4、走时计数器14、射频倍频器1。

综合器4将隔离放大器9送来的5MHz信号综合为中心频率5.3125MHz的79Hz调频信号，并送至射频倍频器1，经微波倍频器2得到中心频率6.8346875GHz的79Hz调频信号，并送至物理系统7。

微波倍频器2分别与控温器5、射频倍频器1连接。

由图2可知，伺服系统3由79Hz选频放大10、方波整形器11、第1锁存驱动电路12a、第2锁存驱动电路12b、第1锁存器13a、第2锁存器13b、走时计数器14、单片机15、数模转换器16组成；各部件之间的连接关系是：

79Hz选频放大10、方波整形器11、第1锁存驱动电路12a、第1锁存器13a、走时计数器14依次连接；

79Hz选频放大10经方波整形器11整形后送至第一锁存驱动电路12a，驱动第1锁存器13a记录来自走时计数器14的时刻值。

第2锁存驱动电路12b、第2锁存器13b、走时计数器14依次连接；

同步鉴相参考送至第2锁存驱动电路12b，驱动第2锁存器13b记录来自走时计数器14的时刻值。

单片机15分别与第1锁存驱动电路12a、第2锁存驱动电路12b、第1锁存器13a、第2锁存器13b、数模转换器16连接。其中第1锁存驱动电路12a与第2锁存驱动电路12b分别向单片机15发锁存中断信号，单片机15从第1锁存器13a、第2锁存器13b获得数据，经单片机15处理后输出给数模转换器16。

由图3可知，第1锁存驱动电路12a由D触发器19、第1锁存器13a组成，并相互连接；具体地说，D触发器19，其信号端与整形后79Hz鉴频信号连接，其时钟端与5MHz时钟连接，其输出端与第1锁存器13a连接。

由图4可知，第2锁存驱动电路12b由D触发器19、第2锁存器13b组成，并相互连接；具体地说，D触发器19，其信号端与79Hz同步参考信号连接，其时钟端与5MHz时钟连接，其输出端与第2锁存器13b连接。

由图5可知，经物理系统7鉴频作用，解调出的整形后79Hz量子鉴频信号与79Hz同步鉴相信号存在相差，经伺服系统3，在单片机15中将得到带符号的相差值，经单片机15处理后将会得到一个纠偏电压通过数模转换器16传递给压控晶体振荡器8。

由此可见，本伺服系统3采用响应时间大尺度可调的新方案：

在独有伺服方案中设有一在5MHz时钟频率驱动下的走时计数器14。来自物理系统7的79Hz量子鉴频信号经选频放大10和方形整波器11整形成一方波，此方波的上升沿经第1锁存驱动电路12a驱动第1锁存器13a，记录此时刻对应的走时计数器14的时间值。另一路79Hz同步鉴相参考信号的上升沿经第2锁存驱动电路12b驱动第2锁存器13b，也记录下与该沿时刻对应的走时计数器14的时间值。两个锁存驱动电路12a、12b在驱动锁存器的同时，分别向单片机15发出中断申请；单片机15从第1锁存器13a与第2锁存器13b中读出两个79Hz信号上升沿对应的时间值，求出二者时间差，即可得到两个79Hz信号的相位差，运算符号表示两信号相位超前、滞后，同相、反相的关系。依据运算得到的相位差结果和运算符号，通过数模转换器16对压控晶体振荡器8作纠偏。将N次求得的两个79Hz信号的相差值做求和算术平均，再控制压控晶体振荡器8，即可大尺度的调整伺服环路的响应时间，控制求和的次数N，即可控制环路响应时间的长短。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、在被动型原子频率标准中，通过大尺度改变伺服的响应时间，实现了系统长、短稳兼优的目的。

2、由于是在一台被动型原子频率标准系统中实现长、短稳兼优的目的，所以具有重量轻、体积、功耗小的优点。

3、独有的伺服单元可以方便地大尺度改变环路响应时间，且通过直接测量两信号相位的方法，降低幅度噪声及失调电压的贡献。

附图说明

图1为本装置组成框图；

图2为伺服系统3组成框图；

图3为第1锁存驱动电路原理图；

图4为第2锁存驱动电路原理图；

图5为同步鉴相信号图；

图6为仿真物理模型；

图7为伺服系统增益取1时的仿真实验结果；

图8为伺服系统增益取0.04时的仿真实验结果；

图9为被动型原子频率标准体系内优势组合实验结果。

其中：

1—射频倍频器； 2—微波倍频器；

3—伺服系统； 4—综合器；

5—控温器； 6—C场恒流源；

7—物理系统； 8—压控晶体振荡器；

9—隔离放大器； 10—79Hz选频放大；

11—方波整形器；

12a—第1锁存驱动电路； 12b—第2锁存驱动电路；

13a—第1锁存器； 13b—第2锁存器；

14—走时计数器； 15—单片机；

16—数模转换器； 19—D触发器；

21—带限白噪声； 22—子系统；

23—带通放大增益； 24a—第1传递函数；

24b—第2传递函数； 25a—第1增益；

25b—第2增益； 26—线性增长；

27—晶振噪声； 28—示波器；

29—仿真输出； 30—物理系统自身稳定度；

31—压控晶体振荡器自身稳定度；

32a—伺服系统增益为1时体系内优势组合稳定度；

32b—伺服系统增益为0.04时体系内优势组合稳定度；

具体实施方式

1、部件选取

*79Hz选频放大10选用OP07。

*第1锁存器13a、第2锁存器13b选用SN74F374

*走时计数器14选用SN74F161A。

*单片机15选用AT89C52。

*数模转换器16选用AD8122。

*D触发器19选用SN74F74。

*方波整形器11选用MAX913。

2、实验结果

由图6可知，仿真物理模型由带限白噪声21、子系统22、带通放大增益23、第1传递函数24a、第2传递函数24b、第1增益25a、第2增益25b、线性增长26、晶振噪声27、示波器28、仿真输出29组成。各部件连接关系是：带限白噪声21经过子系统22依次连接带通放大增益23、第1传递函数24a、第1增益25a、第2传递函数24b、第2增益25b；仿真输出29分别和带限白噪声21、晶振噪声27、子系统22连接；示波器28分别和线性增长26、晶振噪声27、第2增益25b连接。

由图7可知，在图6仿真物理模型的基础上，当伺服系统3增益为1时，得到物理系统7自身稳定度30、压控晶体振荡器自身稳定度31、体系内优势组合稳定度32a。显然在长时间内物理系统自身稳定度30传递给了体系内优势组合稳定度32a，而在短时间内体系内优势组合稳定度32a保持了良好的压控晶体振荡器自身稳定度31。

由图8可知，在图6仿真物理模型的基础上，当伺服系统增益为0.04时，得到物理系统自身稳定度30、压控晶体振荡器自身稳定度31、体系内优势组合稳定度32b。显然在长时间内物理系统自身稳定度30传递给了体系内优势组合稳定度32b，而在短时间内体系内优势组合稳定度32b保持了良好的压控晶体振荡器自身稳定度31。

由图9可知，在现有被动型原子频标技术的基础上，根据图2所示伺服系统原理，在伺服系统3中，体系内优势组合方案实验结果实现了在被劫型原子频标中长、短稳兼优的目标。

Claims

1、一种被动型原子频标体系内优势组合的方法，其特征在于：

2、一种被动型原子频标体系内优势组合的装置，由射频倍频器(1)、微波倍频器(2)、伺服系统(3)、综合器(4)、控温器(5)、C场恒流源(6)、物理系统(7)、压控晶体振荡器(8)、隔离放大器(9)、走时计数器(14)组成；

其特征在于：

伺服系统(3)由79Hz选频放大(10、)方波整形器(11)、第1锁存驱动电路(12a)、第2锁存驱动电路(12b)、第1锁存器(13a)、第2锁存器(13b)、走时计数器(14)、单片机(15)、数模转换器(16)组成；各部件之间的连接关系是：

79Hz选频放大(10)、方波整形器(11)、第1锁存驱动电路(12a)、第1锁存器(13a)、走时计数器(14)依次连接；

第2锁存驱动电路(12b)、第2锁存器(13b)、走时计数器(14)依次连接；

单片机(15)分别与第1锁存驱动电路(12a)、第2锁存驱动电路(12b)、第1锁存器(13a)、第2锁存器(13b)、数模转换器(16)连接；

所述的第1锁存驱动电路(12a)由D触发器(19)、第1锁存器(13a)组成，并相互连接；即D触发器(19)，其信号端与整形后79Hz鉴频信号连接，其时钟端与5MHz时钟连接，其输出端与第1锁存器(13a)连接；

所述的第2锁存驱动电路(12b)由D触发器(19)、第2锁存器(13b)组成，并相互连接；即D触发器(19)，其信号端与79Hz同步参考信号连接，其时钟端与5MHz时钟连接，其输出端与第2锁存器(13b)连接。

3、按权利要求2所述的一种被动型原子频标体系内优势组合的装置，其特征在于79Hz选频放大(10)选用OP07。

4、按权利要求2所述的一种被动型原子频标体系内优势组合的装置，其特征在于第1锁存器(13a)、第2锁存器(13b)选用SN74F374

5、按权利要求2所述的一种被动型原子频标体系内优势组合的装置，其特征在于走时计数器(14)选用SN74F161A。

6、按权利要求2所述的一种被动型原子频标体系内优势组合的装置，其特征在于单片机(15)选用AT89C52。

7、按权利要求2所述的一种被动型原子频标体系内优势组合的装置，其特征在于数模转换器(16)选用AD8122。

8、按权利要求2所述的一种被动型原子频标体系内优势组合的装置，其特征在于D触发器(19)选用SN74F74。

9、按权利要求2所述的一种被动型原子频标体系内优势组合的装置，其特征在于方波整形器(11)选用MAX913。