JP2018093271A - Atomic oscillator and method for controlling atomic oscillator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、原子発振器、原子発振器の制御方法に関する。 The present invention relates to an atomic oscillator and a method for controlling the atomic oscillator.
極めて正確な時間を計る時計として原子時計(原子発振器)があり、この原子発振器を小型化する技術等の検討がなされている。原子発振器とは、アルカリ金属等の原子を構成している電子の遷移エネルギー量を基準として、内蔵している基準発振器の出力周波数を制御している発振器であり、特に、アルカリ金属の原子における電子の遷移エネルギーは外乱がない状態では、非常に精密な値が得られるため、水晶発振器等に比べて、高い周波数安定性を得ることができる。 There is an atomic clock (atomic oscillator) as a clock for measuring extremely accurate time, and a technique for downsizing the atomic oscillator has been studied. An atomic oscillator is an oscillator that controls the output frequency of a built-in reference oscillator based on the amount of transition energy of electrons constituting atoms such as alkali metals. In the state where there is no disturbance, a very precise value can be obtained, so that higher frequency stability can be obtained compared to a crystal oscillator or the like.
従来の原子発振器には、低消費電力化等のために間欠動作を行うものがある。間欠動作とは、一定時間の間はフィードバック制御を行わずに基準発振器を自律動作させ、一定時間経過後に原子共鳴によるフィードバック制御を行い、基準発振器の自律動作で生じた周波数変動を補正するものである。例えば、周波数を制御する制御部をデジタル構成にして、制御信号を出力するタイミングを所定のデューティ比又は周期により制御信号が動作している期間と、停止している期間とを設けることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。 Some conventional atomic oscillators perform intermittent operation to reduce power consumption and the like. In intermittent operation, the reference oscillator is operated autonomously without performing feedback control for a certain period of time, and feedback control based on atomic resonance is performed after the lapse of a certain period of time to correct frequency fluctuations caused by the autonomous operation of the reference oscillator. is there. For example, it is proposed that the control unit for controlling the frequency is configured in a digital configuration, and the timing for outputting the control signal is provided with a period during which the control signal is operating with a predetermined duty ratio or cycle and a period during which the control signal is stopped. (For example, refer to Patent Document 1).
しかしながら、間欠動作を行う場合、基準発振器の自律動作中は原子共鳴からのフィードバック制御がないため、間欠動作しない場合と比較して長期的な周波数安定性はほぼ同等であるが、短期的な周波数安定性は劣る。 However, when performing intermittent operation, there is no feedback control from atomic resonance during the autonomous operation of the reference oscillator, so long-term frequency stability is almost the same as when intermittent operation is not performed. Stability is inferior.
又、原子発振器を時計として用いる場合、基準周波数に対する原子発振器の出力周波数のずれを積算したものが時刻のずれとなる。よって間欠動作させた原子発振器を時計として用いる場合、低消費電力とはなるが、短期的な周波数安定性が悪いため、時刻のずれが大きくなるという問題があった。 Further, when the atomic oscillator is used as a timepiece, the time lag is obtained by integrating the deviation of the output frequency of the atomic oscillator with respect to the reference frequency. Thus, when an intermittently operated atomic oscillator is used as a timepiece, the power consumption is low, but there is a problem that the time shift becomes large because of short-term frequency stability.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、間欠動作させた状態における短期的な周波数安定性を向上させた原子発振器を提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide an atomic oscillator with improved short-term frequency stability in an intermittently operated state.
本原子発振器は、原子の共鳴周波数を用いた間欠的なフィードバック制御により基準発振器の出力周波数を調整し、調整された周波数を出力する原子発振器であって、前記フィードバック制御を行う第1の期間の前記基準発振器の周波数制御値に基づいて、前記フィードバック制御を停止する第2の期間の前記基準発振器の出力周波数を制御する制御部を有することを要件とする。 The atomic oscillator is an atomic oscillator that adjusts the output frequency of the reference oscillator by intermittent feedback control using the resonance frequency of the atoms, and outputs the adjusted frequency. The atomic oscillator has a first period in which the feedback control is performed. It is a requirement to have a control unit that controls the output frequency of the reference oscillator in the second period in which the feedback control is stopped based on the frequency control value of the reference oscillator.
開示の技術によれば、間欠動作させた状態における短期的な周波数安定性を向上させた原子発振器を提供できる。 According to the disclosed technique, an atomic oscillator having improved short-term frequency stability in an intermittently operated state can be provided.
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same components are denoted by the same reference numerals, and redundant description may be omitted.
〈第1の実施の形態〉
(原子発振器)
図1は、第1の実施の形態に係る原子発振器の概略構成図である。図1を参照するに、原子発振器1は、量子干渉効果(CPT(Coherent Population Trapping)共鳴)を利用したCPT方式の原子発振器である。但し、CPT方式には限定されず、例えば、共鳴光とマイクロ波を利用した二重共鳴法等の他の方式としてもよい。
<First Embodiment>
(Atomic oscillator)
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an atomic oscillator according to the first embodiment. Referring to FIG. 1, an
原子発振器1は、原子の共鳴周波数を用いた間欠的なフィードバック制御により基準発振器の出力周波数を調整し、調整された周波数を出力する。フィードバック制御は、例えば基準発振器の出力周波数又は基準発振器の出力周波数を逓倍した周波数が原子の共鳴周波数に一致するよう調整する制御である。
The
図1に示すように、原子発振器1は、半導体レーザ10、ガスセル20、コイル30、光検出器40、検波回路50及び60、基準発振器70、マイクロ波シンセサイザ80、駆動回路90、制御部100を有する。半導体レーザ10、ガスセル20、コイル30及び光検出器40は、原子共鳴部を構成する。原子発振器1は、半導体レーザ10を周波数変調させることによりサイドバンドを発生させ、このサイドバンドである2つの異なる波長のレーザ光をガスセル20に入射させる。これにより、2種類の共鳴光による量子干渉効果による光吸収特性により変調周波数を制御するものである。
As shown in FIG. 1, the
半導体レーザ10は、ガスセル20にレーザ光を照射する光源である。半導体レーザ10としては、例えば垂直共振器面発光レーザ(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser)を用いることができる。
The
ガスセル20は、ガラス等で形成された容器内に、ルビジウム(Rb)、セシウム(Cs)等のアルカリ金属原子が封入されたものである。又、ガスセル20の容器内には、ネオン(Ne)、アルゴン(Ar)、窒素(N2)等のバッファガスが封入されていてもよい。
The
コイル30は、ガスセル20に一様な磁界を印加することで、ガスセル20に封入されたアルカリ金属原子をゼーマン分裂させる。
The
光検出器40は、半導体レーザ10によりガスセル20に照射されたレーザ光のうち、ガスセル20を透過した光を検出し、光の強度に応じた検出信号を出力する。光検出器40の検出信号は検波回路50及び60に入力される。光検出器40としては、例えばフォトダイオードを用いることができる。
The
検波回路50及び60は、半導体レーザ10の発光波長をアルカリ金属原子の励起に必要な波長(中心周波数f0)に制御するための回路である。
The
基準発振器70は、検波回路60の信号の大きさに応じて、出力周波数が調整される発振器である。基準発振器70としては、温度補償型水晶発振器(TCXO:Temperature Compensated Crystal Oscillator)等の水晶発振器を用いることができる。
The
なお、基準発振器70の制御端子の入力信号を周波数制御値と称する場合がある。周波数制御値は、例えばアナログ電圧であり、この場合、制御端子に印加されるアナログ電圧に応じて基準発振器70の出力周波数が変化する。但し、基準発振器70の制御端子の入力信号はアナログ電圧には限定されず、デジタル信号であってもよい。この場合、基準発振器70の制御端子にコマンドを送信することで、基準発振器70の出力周波数が変化する。
An input signal at the control terminal of the
マイクロ波シンセサイザ80は、基準発振器70の出力(例えば10MHz)をリファレンスとしてマイクロ波(周波数fm)を生成する。このマイクロ波を半導体レーザ10の駆動回路90に重畳することで、中心周波数f0の光に加え、f0±fm、f0±2fm、・・・の光が発生する。CPT現象を起こすための共鳴光対としてf0±fmの光を用いた場合、fmはアルカリ金属原子の2つの基底準位のエネルギー差に相当する周波数(共鳴周波数)の1/2に一致するようにフィードバック制御される。
The
例えば、アルカリ金属原子としてCsを用いた場合、共鳴周波数が9.192631770GHzであるので、マイクロ波の出力周波数fmは4.596315885GHzとなるよう制御される。すなわち、マイクロ波のリファレンスとなっている基準発振器70の出力周波数がフィードバック制御されることになる。
For example, when Cs is used as the alkali metal atom, the resonance frequency is 9.192631770 GHz, so that the microwave output frequency fm is controlled to be 4.596331585 GHz. That is, the output frequency of the
制御部100は、原子発振器1全体の動作を制御する部分である。図2は、制御部のハードウェア構成を例示するブロック図である。図2を参照するに、制御部100は、CPU101(Central Processing Unit)と、ROM102(Read Only Memory)と、RAM103(Random Access Memory)と、I/F104(Interface)と、バスライン105とを有している。CPU101、ROM102、RAM103、及びI/F104は、バスライン105を介して相互に接続されている。なお、制御部100は、FPGA(Field Programmable Gate Array)や不揮発性メモリ等の他のデバイスを必要に応じて備えることができる。
The
CPU101は、制御部100の各機能を制御する。記憶手段であるROM102は、CPU101が制御部100の各機能を制御するために実行するプログラムや、各種情報を記憶している。記憶手段であるRAM103は、CPU101のワークエリア等として使用される。又、RAM103は、所定の情報を一時的に記憶することができる。
The
I/F104は、他の機器等と接続するためのインターフェイスであり、必要に応じて設けられる。I/F104は、外部入力装置(キーボード等)、外部ネットワーク、外部記憶装置(ハードディスク、半導体メモリ、CD−ROM、DVD等)等と接続することができる。各機能を制御するために実行するプログラム等は、外部ネットワークや外部記憶装置等からI/F104を介して提供されてもよい。
The I /
図3は、制御部の機能ブロックを例示する図である。図3を参照するに、制御部100は、フラグ検出手段111と、制御手段112と、フィッティング手段113とを有している。各機能ブロックの具体的な機能については後述する。
FIG. 3 is a diagram illustrating a functional block of the control unit. Referring to FIG. 3, the
(原子発振器の動作)
図4は、第1実施の形態に係る原子発振器の動作を示すフローチャートの一例である。ここでは、原子発振器1の電源がオンされ、原子発振器1の動作が開始されているものとする。
(Operation of atomic oscillator)
FIG. 4 is an example of a flowchart showing the operation of the atomic oscillator according to the first embodiment. Here, it is assumed that the power source of the
図4に示すように、まず、ステップS201では、制御部100のフラグ検出手段111は、間欠動作フラグがオフであるか否かを判定する。間欠動作フラグとは、原子発振器1に内蔵された基準発振器70が自律動作している場合にオンされ、原子発振器1が共鳴周波数によりフィードバック制御されている場合にオフされるフラグである。
As shown in FIG. 4, first, in step S201, the
ステップS201において、間欠動作フラグがオフであると判定された場合(YESの場合)には、ステップS202に移行する。ステップS202では、制御部100の制御手段112は、原子共鳴部やマイクロ波シンセサイザ80等を動作させ、共鳴周波数により基準発振器70をフィードバック制御する。
If it is determined in step S201 that the intermittent operation flag is off (in the case of YES), the process proceeds to step S202. In step S202, the
次に、ステップS203では、制御部100のフィッティング手段113は、基準発振器70の周波数制御値やガスセル20の温度、ガスセル20に照射される光量、マイクロ波シンセサイザ80の生成したマイクロ波の出力レベル等の変化をデータとして蓄積する。フィッティング手段113は、例えば、これらのデータを所定の時間毎にRAM103に記憶し、必要なときにRAM103から読み出すことができる。
Next, in step S203, the fitting means 113 of the
なお、ガスセル20の温度、ガスセル20に照射される光量、マイクロ波の出力レベル等は、制御部100の制御手段112が共鳴周波数の安定化のために通常モニタしているデータを用いることができる。
For the temperature of the
次に、ステップS204では、制御部100のフィッティング手段113は、ステップS203で蓄積されたデータに基づいて、時間変化を補正するための基準発振器70の周波数制御値の近似式を算出する。すなわち、フィッティング手段113は、原子発振器1がフィードバック制御されているときの周波数制御値を所望の関数にフィッティングして係数や定数項を算出する。
Next, in step S204, the fitting means 113 of the
近似式は、例えば、周知の最小二乗法等を用いて算出することができる。間欠動作の間隔は例えば1時間〜1日程度であるため、周波数制御値は2次関数や対数関数で近似することが可能である。ステップS204を実行後、ステップS201に移行する。 The approximate expression can be calculated using, for example, a known least square method. Since the interval of the intermittent operation is, for example, about 1 hour to 1 day, the frequency control value can be approximated by a quadratic function or a logarithmic function. After executing step S204, the process proceeds to step S201.
ステップS201において、間欠動作フラグがオンであると判定された場合(NOの場合)には、ステップS205に移行する。ステップS205では、制御部100の制御手段112は、原子共鳴部やマイクロ波シンセサイザ80等の動作を停止させる(共鳴周波数によるフィードバック制御を行わない)。そして、制御手段112は、経過時間に応じて、ステップS204で算出した近似式に基づいて、基準発振器70の周波数制御を行う。
If it is determined in step S201 that the intermittent operation flag is on (in the case of NO), the process proceeds to step S205. In step S205, the
以降、ステップS201〜S205の動作が繰り返される。以上により、原子発振器1の動作が実行される。なお、制御部100による原子発振器1の動作は、原子発振器1の電源がオンされている限り繰り返し行われてもよく、所定の条件を満たす限り繰り返し行われてもよい。
Thereafter, the operations in steps S201 to S205 are repeated. As described above, the operation of the
又、間欠動作フラグのオン/オフを切り替えるタイミングは、特に限定されないが、一定周期で切り替えるように制御してもよく、任意のタイミングで切り替えるように制御してもよい。 The timing for switching on / off of the intermittent operation flag is not particularly limited, but may be controlled so as to be switched at a constant cycle, or may be controlled so as to be switched at an arbitrary timing.
次に、原子発振器1の動作と従来の原子発振器の動作の違いについて、図5及び図6を参照しながら説明する。図5は、第1実施の形態に係る原子発振器の間欠動作について説明する図である。図6は、従来の原子発振器の間欠動作について説明する図である。
Next, the difference between the operation of the
前述のように、原子発振器1では、間欠動作フラグがオフ中の基準発振器70の周波数制御値の時間変化等に基づいて近似式を算出し、間欠動作フラグがオン中は近似式に基づいて基準発振器70の周波数制御を行う。
As described above, in the
その結果、図5に示すように、間欠動作フラグがオフからオンに切り替わるとき、或いはオンからオフに切り替わるときに基準発振器70の周波数制御値が階段状に変化せず連続的に変化し、原子発振器1の出力周波数(実線)は基準周波数(破線)と精度よく一致する。
As a result, as shown in FIG. 5, when the intermittent operation flag is switched from OFF to ON, or when the intermittent operation flag is switched from ON to OFF, the frequency control value of the
これに対して、図6に示す従来の原子発振器では、間欠動作フラグがオンのときには、原子共鳴部やマイクロ波シンセサイザ等の動作を止めることで原子共鳴からのフィードバック制御がない基準発振器の自律動作となる。 On the other hand, in the conventional atomic oscillator shown in FIG. 6, when the intermittent operation flag is on, the autonomous operation of the reference oscillator without feedback control from the atomic resonance by stopping the operation of the atomic resonance unit, the microwave synthesizer, etc. It becomes.
そのため、間欠動作フラグがオンのときには、低消費電力とはなるが、基準発振器の周波数制御値は一定となり、原子発振器の出力周波数は不安定となる。例えば、図6に示すように、原子発振器の出力周波数(実線)が時間と共に低くなり、基準周波数(破線)に対する原子発振器の出力周波数のずれが大きくなる。 For this reason, when the intermittent operation flag is on, the power consumption is low, but the frequency control value of the reference oscillator is constant, and the output frequency of the atomic oscillator becomes unstable. For example, as shown in FIG. 6, the output frequency (solid line) of the atomic oscillator decreases with time, and the deviation of the output frequency of the atomic oscillator with respect to the reference frequency (broken line) increases.
よって、間欠動作した場合、周波数で考えると長期的には安定となるが短期的には不安定となる。特に原子発振器を時計として用いる場合、時刻のずれは基準周波数からの周波数ずれの積算値となるため、時刻のずれは長期的に見ても大きくなる。なお、図6において、実線と破線で囲まれた斜線部分を積算したものが、原子発振器を時計として用いる場合の時刻のずれとなる。 Therefore, in the case of intermittent operation, when it is considered in terms of frequency, it is stable in the long term, but unstable in the short term. In particular, when an atomic oscillator is used as a clock, the time lag is an integrated value of the frequency lag from the reference frequency, and therefore the time lag becomes large even in the long run. In FIG. 6, the sum of the hatched portions surrounded by the solid line and the broken line is the time lag when the atomic oscillator is used as a clock.
図5と図6とを比較すれば明らかなように、原子発振器1では、従来の原子発振器に比べて、間欠動作させた状態における短期的な周波数安定性を向上させることができる。例えば、原子発振器1を時計として用いる場合、時刻のずれを低減することができる。
As is clear from comparison between FIG. 5 and FIG. 6, the
このように、原子発振器1では、間欠動作フラグがオフ中(フィードバック制御を行う第1の期間)の基準発振器の周波数制御値等に基づいて近似式を算出し、近似式に基づいて間欠動作フラグがオン中(フィードバック制御を停止する第2の期間)の基準発振器70の出力周波数を制御する。
As described above, in the
これにより、原子発振器1を間欠動作させた状態における短期的な周波数安定性を向上させることができる。原子発振器1としてフィードバック動作している時間が長くなるほど、近似式の精度は向上し、周波数安定性の改善が期待できる。
Thereby, the short-term frequency stability in the state which operated the
なお、ステップS203で間欠動作フラグがオフ中の基準発振器70の周波数制御値の時間変化のみを蓄積し、ステップS204で周波数制御値の時間変化のみに基づいて近似式を算出してもよい。
Note that only the time change of the frequency control value of the
しかし、原子発振器1としてフィードバック動作しているときでもガスセル20の温度変化や光量変化、マイクロ波の出力レベル変化等の要因により共鳴周波数が変化するため、周波数制御値が多少ばらつき近似式の精度が落ちてしまうことも起こりうる。
However, even when the
そのため、単に周波数制御値だけを用いてフィッティングするのではなく、周波数制御値と共に、制御部100で把握している共鳴周波数を変化させる要因となる多種多様なパラメータ(ガスセル20の温度変化や光量変化、マイクロ波の出力レベル変化等)を考慮してフィッティングすることが望ましい。
For this reason, fitting is not performed using only the frequency control value, but a variety of parameters (temperature change and light quantity change of the gas cell 20) that cause the resonance frequency grasped by the
すなわち、周波数制御値の変化から各種パラメータの変化による寄与分を差し引くことで、基準発振器70の周波数制御値の経時変化を正しくフィッティングすることが可能となる。各種パラメータが周波数変化に与える影響は事前にある程度把握できており、動作中に学習することで個体差も排除することが可能である。
That is, by subtracting the contribution due to the change of various parameters from the change of the frequency control value, it is possible to correctly fit the change with time of the frequency control value of the
ところで、予め決められた近似式をもとにして基準発振器の自律動作中に周波数制御する方法も考えられる。しかしながら、基準発振器の個体差や動作環境により、近似した関数の係数や定数項は異なる。よって、予め決められた近似式を用いる方法では、周波数安定性の大幅な改善は期待できず、逆に悪化することも考えられる。本実施の形態に係る制御方法では、動作中に得られた情報を蓄積し学習していくことで、基準発振器の個体差や動作環境による影響を排除し、近似式の精度を都度改善していくことが可能となる。 By the way, a method of controlling the frequency during the autonomous operation of the reference oscillator based on a predetermined approximate expression is also conceivable. However, the coefficients and constant terms of the approximated function differ depending on the individual difference of the reference oscillator and the operating environment. Therefore, in the method using the approximate expression determined in advance, a significant improvement in frequency stability cannot be expected, and conversely, it may be deteriorated. In the control method according to the present embodiment, by accumulating and learning information obtained during operation, the influence of individual differences of the reference oscillator and the operating environment is eliminated, and the accuracy of the approximate expression is improved each time. It is possible to go.
〈第1の実施の形態の変形例〉
第1の実施の形態の変形例では、第1の実施の形態とは異なる方法により近似式を算出する例を示す。なお、第1の実施の形態の変形例において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Modification of First Embodiment>
In the modification of the first embodiment, an example in which an approximate expression is calculated by a method different from that of the first embodiment is shown. In the modification of the first embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.
図7は、第1実施の形態の変形例に係る原子発振器の動作を示すフローチャートの一例である。図7では、図4のステップS203がステップS206及びS207に置換されている。 FIG. 7 is an example of a flowchart showing the operation of the atomic oscillator according to the modification of the first embodiment. In FIG. 7, step S203 of FIG. 4 is replaced with steps S206 and S207.
図7において、ステップS201で間欠動作フラグがオフであると判定された場合(YESの場合)には、ステップS202に移行し、制御部100の制御手段112はフィードバック制御を行う。次に、ステップS206では、制御部100の制御手段112は、間欠動作フラグを切り替えて一定時間経過したか否かを判定する。
In FIG. 7, when it is determined in step S201 that the intermittent operation flag is OFF (in the case of YES), the process proceeds to step S202, and the control means 112 of the
ステップS206において、一定時間経過したと判定された場合(YESの場合)には、ステップS201に移行する。ステップS206において、一定時間経過していないと判定された場合(NOの場合)には、ステップS207に移行する。 If it is determined in step S206 that a certain time has elapsed (in the case of YES), the process proceeds to step S201. If it is determined in step S206 that the predetermined time has not elapsed (NO), the process proceeds to step S207.
ステップS207では、制御部100のフィッティング手段113は、基準発振器70の周波数制御値の変化をデータとして蓄積する。つまり、間欠動作フラグをオンからオフに切り替えた直後から一定時間経過するまでの基準発振器70の周波数制御値の変化をデータとして蓄積する。
In step S207, the fitting means 113 of the
次に、ステップS204では、制御部100のフィッティング手段113は、ステップS207で蓄積されたデータに基づいて、時間変化を補正するための基準発振器70の周波数制御値の近似式を算出する。すなわち、フィッティング手段113は、間欠動作フラグをオンからオフに切り替えた直後から一定時間経過するまでの基準発振器70の周波数制御値の時間変化をデータとして蓄積し学習していくことで、所望の関数にフィッティングして係数や定数項を算出する。
Next, in step S204, the fitting means 113 of the
その他の処理については、図4に示すフローチャートの場合と同様である。図7に示す方法では、図4に示す方法と比較して近似式の精度は劣るが、比較的少ないデータ量で、ある程度の周波数安定性の改善が期待できる近似式が得られる。そのため、制御部100のメモリ量が小さい場合等に有効な手段となる。
Other processes are the same as those in the flowchart shown in FIG. In the method shown in FIG. 7, although the accuracy of the approximate expression is inferior to that of the method shown in FIG. Therefore, this is an effective means when the memory amount of the
なお、第1の実施の形態、及び第1の実施の形態の変形例に係る制御方法では、間欠動作フラグがオンのときにも制御部100を動作させる必要があるため、消費電力は多少増える懸念がある。しかしながら、周波数制御の間隔(例えば1s)に対し、制御に要する時間はかなり短いため(例えば数ms)、制御していない時間は制御部100の動作も止めてスリープさせておくことで、消費電力をさらに下げることが可能となる。
Note that in the control method according to the first embodiment and the modified example of the first embodiment, the
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態では、温度センサのデータ(環境温度)を利用する制御方法の例を示す。なお、第2の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
<Second Embodiment>
In the second embodiment, an example of a control method using temperature sensor data (environment temperature) will be described. In the second embodiment, description of the same components as those of the already described embodiments may be omitted.
図8は、第2の実施の形態に係る原子発振器の概略構成図である。図8を参照するに、原子発振器2は、環境温度(原子発振器2の外気温度)を検出する温度センサ150が追加された点が、原子発振器1(図1参照)と相違する。温度センサ150の検出した環境温度は、制御部100に入力される。
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an atomic oscillator according to the second embodiment. Referring to FIG. 8, the
図9は、第2実施の形態に係る原子発振器の動作を示すフローチャートの一例である。図9では、図4のステップS203〜S205に代えてステップS208〜S210が設けられている。 FIG. 9 is an example of a flowchart showing the operation of the atomic oscillator according to the second embodiment. In FIG. 9, steps S208 to S210 are provided instead of steps S203 to S205 in FIG.
まず、図4の場合と同様にステップS201を実行し、ステップS201において間欠動作フラグがオフであると判定された場合(YESの場合)には、図4の場合と同様にステップS202を実行する。 First, step S201 is executed in the same manner as in FIG. 4, and if it is determined in step S201 that the intermittent operation flag is OFF (in the case of YES), step S202 is executed in the same manner as in FIG. .
次に、ステップS208では、制御部100のフィッティング手段113は、基準発振器70の周波数制御値やガスセル20の温度、ガスセル20に照射される光量、マイクロ波シンセサイザ80の生成したマイクロ波の出力レベル、温度センサ150の検出した環境温度等の変化をデータとして蓄積する。フィッティング手段113は、例えば、これらのデータを所定の時間毎にRAM103に記憶し、必要なときにRAM103から読み出すことができる。
Next, in step S208, the fitting means 113 of the
次に、ステップS209では、制御部100のフィッティング手段113は、ステップS208で蓄積されたデータに基づいて、環境温度変化と経時変化を補正するための基準発振器70の周波数制御値の近似式を算出する。そして、ステップS201で間欠動作フラグがオンであると判定された場合(NOの場合)に、ステップS210で、制御部100の制御手段112はフィードバック制御を停止し、環境温度と経過時間に応じて、ステップS209で算出した近似式に基づいて、基準発振器70の周波数制御を行う。
Next, in step S209, the fitting means 113 of the
すなわち、温度センサ150により環境温度の変化を観測することで、間欠動作時に基準発振器70の周波数制御の経時変化だけではなく温度特性もモデル化し、環境温度の変化に応じて基準発振器70の自律動作中に周波数制御を行う。これにより、周波数安定性の更なる改善が可能となる。
That is, by observing a change in the environmental temperature with the
基準発振器70の出力周波数変化は経時変化の他に、温度変化によるところが大きい。そのため、基準発振器70の自律動作中に環境温度が変化した場合、経時変化のモデルによる制御だけでは周波数安定性の改善効果は薄くなってしまう。
The change in the output frequency of the
又、原子発振器を間欠動作させたときの消費電力変化が大きい場合、環境温度が変化しなくても、原子発振器の内部にある基準発振器70の温度は変化する可能性が高い。そのため、周波数安定性を改善するためには、温度変化に応じた周波数制御が必要となる。
Further, when the power consumption change when the atomic oscillator is intermittently operated is large, the temperature of the
このような温度特性は経時変化と同様、個体差が大きいため個体毎にモデル化が必要となる。温度特性のモデル化に関しては経時変化と同じく間欠動作フラグがオフのとき、すなわち原子発振器として動作しているときの周波数制御値の変化と、温度センサにより観測している環境温度の変化を対応させながら係数を決定すれば良い。 Such temperature characteristics, like changes with time, have large individual differences, so modeling is required for each individual. Regarding the modeling of temperature characteristics, the change in the frequency control value when the intermittent operation flag is off, that is, when operating as an atomic oscillator, and the change in the environmental temperature observed by the temperature sensor are made to correspond to the change over time. However, the coefficient may be determined.
多数のデータを用いることで、経時変化及び温度特性をそれぞれモデル化することは可能である。又、出荷検査時や以前に起動したときのデータを記憶しておき、そのデータをベースとして近似式を算出してもよい。この場合には、短時間で高精度なフィッティングが可能となる。 By using a large number of data, it is possible to model changes over time and temperature characteristics, respectively. In addition, data at the time of shipping inspection or when it was started before may be stored, and an approximate expression may be calculated based on the data. In this case, highly accurate fitting is possible in a short time.
なお、温度センサは基準発振器の直近に配置し、基準発振器の温度変化を観測することが望ましい。又、温度センサを複数配置し、温度分布を見ることで、より正確に基準発振器の温度変化を捉えることも可能である。 Note that it is desirable that the temperature sensor is disposed in the immediate vicinity of the reference oscillator and the temperature change of the reference oscillator is observed. It is also possible to more accurately capture the temperature change of the reference oscillator by arranging a plurality of temperature sensors and observing the temperature distribution.
以上、好ましい実施の形態について詳説したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 The preferred embodiment has been described in detail above. However, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications and replacements are made to the above-described embodiment without departing from the scope described in the claims. Can be added.
例えば、第1の実施の形態の変形例において、温度センサ150を設け、間欠動作フラグをオンからオフに切り替えた直後から一定時間経過するまでの基準発振器70の周波数制御値の変化をデータと、間欠動作フラグをオンからオフに切り替えた直後から一定時間経過するまでの環境温度の変化をデータに基づいて、近似式を算出してもよい。
For example, in the modification of the first embodiment, the
又、第1の実施の形態の変形例において、周波数制御値と共に、制御部100で把握している共鳴周波数を変化させる要因となる多種多様なパラメータを考慮して近似式を算出してもよい。
Further, in the modification of the first embodiment, the approximate expression may be calculated in consideration of various parameters that cause the resonance frequency grasped by the
1、2 原子発振器
10 半導体レーザ
20 ガスセル
30 コイル
40 光検出器
50、60 検波回路
70 基準発振器
80 マイクロ波シンセサイザ
90 駆動回路
100 制御部
101 CPU
102 ROM
103 RAM
104 I/F
105 バスライン
111 フラグ検出手段
112 制御手段
113 フィッティング手段
150 温度センサ
DESCRIPTION OF
102 ROM
103 RAM
104 I / F
105
Claims (10)
前記フィードバック制御を行う第1の期間の前記基準発振器の周波数制御値に基づいて、前記フィードバック制御を停止する第2の期間の前記基準発振器の出力周波数を制御する制御部を有することを特徴とする原子発振器。 An atomic oscillator that adjusts the output frequency of the reference oscillator by intermittent feedback control using the resonance frequency of the atom and outputs the adjusted frequency,
And a control unit configured to control an output frequency of the reference oscillator in a second period in which the feedback control is stopped based on a frequency control value of the reference oscillator in a first period in which the feedback control is performed. Atomic oscillator.
前記制御部は、前記第1の期間の前記基準発振器の周波数制御値及び前記第1の期間の前記環境温度に基づいて、前記第2の期間の前記基準発振器の出力周波数を制御することを特徴とする請求項1に記載の原子発振器。 It has a temperature sensor that detects the ambient temperature,
The control unit controls an output frequency of the reference oscillator in the second period based on a frequency control value of the reference oscillator in the first period and the environmental temperature in the first period. 2. The atomic oscillator according to claim 1.
前記フィードバック制御を行う第1の期間の前記基準発振器の周波数制御値に基づいて、前記フィードバック制御を停止する第2の期間の前記基準発振器の出力周波数を制御することを特徴とする原子発振器の制御方法。 An atomic oscillator control method for adjusting an output frequency of a reference oscillator by intermittent feedback control using an atomic resonance frequency and outputting an adjusted frequency,
Controlling an output frequency of the reference oscillator in a second period of stopping the feedback control based on a frequency control value of the reference oscillator in a first period of performing the feedback control Method.
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CN111711448A (en) * | 2020-08-07 | 2020-09-25 | 电信科学技术第五研究所有限公司 | Rubidium atomic clock taming system and method |
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