钙离子光时标守时技术研究

近年来光学频率标准(光钟)技术快速发展,国际时间频率咨询委员会计划于 2030 年用光钟重新定义“秒”,并提出了 技术路线,光时标的研究也成为时间频率领域的研究热点。 利用钙离子光钟驾驭微波氢钟,开展高精度光时标信号 TS(Ca + )产 生技术研究。 结果表明,钙离子光钟准连续稳定运行率可达 87% ,稳定度达 8×10 -17 / day。 对光钟和氢钟的频率比对测量分别 采用微波频率锁定方案(上转换)和光生超稳微波方案(下转换),上转换方案引入了并放大了噪声,测量数据比氢钟稳定度差, 而下转换方案产生超稳微波,测量数据频率稳定度与氢钟几乎重合,实现了光钟对氢钟的准确测量。 将测量得到的频差数据直 接置入相位微跃计,产生光时标 TS(Ca + ),独立运行的光时标 TS(Ca + )在一个月内与 UTC 偏差保持在 0. 6 ns 以内。 研究成果 为报送秒定义数据和驾驭自由原子时 TAI 提供技术基础,为提升我国光时标守时能力提供了宝贵的技术支持和工程经验。     

长期稳定度 2. 6×10 -16 的工程化高可靠铷原子喷泉钟

随着喷泉钟运行可靠性的提升和激光技术的日趋成熟,喷泉钟不仅可以作为基准钟驾驭原子时标,提升原子时标的长 期稳定度和准确度指标,还可以紧驾驭氢钟作为复合守时钟使用。 铷原子的基态超精细能级跃迁作为次级秒定义,具有碰撞截 面小,冷却激光运行可靠性高的优势,更加适合工程化。 中国计量科学研究院研制的工程化铷原子喷泉钟采用双金属微波真空 一体腔提升系统温度适应性,采用小型化光学系统和笼式结构探测光系统提升了运行可靠性,实现了铷喷泉钟长期准连续运 行,年运行率达到 97. 5% 。 通过 1 年的比对测试,铷喷泉钟与 NIM5 铯喷泉钟频率比对的长期稳定度优于 3. 7×10 -16 ,单台喷泉 钟的长期频率稳定度优于 2. 6×10 -16 。     

冷镱原子光钟绝对频率测量及相关跃迁研究的进展

光学原子钟的稳定度和不确定度都已全面进入小数 10 -18 量级,是目前最精密的时间频率测量工具之一。 光学原子钟 已在精密测量和基础物理研究等尖端科研领域展现出潜力,并有望重新定义时间单位“秒”。 镱原子光钟因其独特的能级优势 而成为了目前世界上发展最成熟、研究最广泛的光钟之一。 镱原子钟跃迁的绝对频率测量和镱原子相关跃迁光谱的精密测量 具有重要意义。 综述了冷镱原子光钟的钟跃迁 6s 21 S0 -6s6p 3 P0 能级绝对频率测量的国内外进展,并介绍以 7. 3×10 -16 的不确定 度测量镱原子钟跃迁绝对频率的实验,测量值为 518 295 836 590 863. 30±0. 38 Hz。 综述了利用已完成绝对频率测量的镱原子 光钟为基准,对镱原子的 649,770 和 1 389 nm 抽运光的对应跃迁绝对频率进行精密测量的结果。     

基于 NIM-Sr1 光晶格钟驾驭氢钟产生本地时标的研究

光钟在生成高性能原子时标方面有很大的潜力。 本文介绍了以中国计量科学研究院(NIM)的 NIM-Sr1 光晶格钟为参 考生成本地时标的基本思路,评估了实验室目前用作飞轮振荡器的 HM57 氢钟的噪声参数。 针对 NIM-Sr1 光晶格钟作为基准 钟长期间歇运行时的运行率和时间分布,设计了对测量数据的分段处理方式。 通过对 2022 年 9 月和 10 月 NIM-Sr1 光晶格钟 与 HM57 氢钟比对数据的后处理,生成了光钟驾驭的纸面时标 TS(P),其在 60 天内相对于 TT(BIPM22) 的最大时间偏差为 0. 7 ns,验证了驾驭方法的可靠性。 搭建了以 NIM-Sr1 光晶格钟为参考驾驭 HM57 氢钟生成本地实时物理时标的实验系统,并 评估了 2023 年 4 月生成的实时物理时标 TS(R)的性能,其在 30 天内相对于 UTC 的最大时间偏差为 0. 89 ns。     

北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析

北斗三号全球系统已开始为全球用户提供稳定可靠的高精度定位、导航与授时服务。 本文基于我国国家标准时间频率 UTC(NTSC)系统,开展北斗三号非差组合载波相位时间比对性能分析,通过实测数据开展研究并试验了北斗三号非差组合载 波相位时间比对在零基线与长基线时间比对方面的性能,并在此基础上开展北斗三号与 GPS 融合载波相位时间比对试验。 结 果表明,零基线比对中,两接收机共钟比对钟差的标准偏差优于 0. 3 ns;长基线比对中,利用北斗三号非差组合载波相位时间比 对以及融合载波相位时间比对获得的亚欧两守时实验室之间的比对钟差与国际权度局基于 GPS 时间比对链路获得的钟差具 有较好的一致性,钟差的频率稳定度和时间稳定度与国际权度局发布的结果基本一致,且残差的均方根均优于 0. 25 ns,试验结 果满足亚纳秒量级的时间比对应用需求。     

锶原子光钟闭环控制系统的设计与实现

为了实现~(87)Sr原子光钟的闭环运行,根据将超稳激光频率锁定在钟跃迁超精细能级自旋极化谱双峰中间的锁频原理,设计和实现了锶原子光钟闭环控制系统。首先,详细分析了~(87)Sr原子光钟闭环运行的具体需求,包括冷原子制备及钟跃迁探测、闭环锁定等阶段中所需要的控制信号及其时序;然后,根据该需求设计了时序控制和频率控制的物理系统;最后,利用LabVIEW虚拟仪器开发平台和NI硬件系统设计了~(87)Sr原子光钟的闭环运行的自动化控制程序。实验结果显示,采样时间为3 000 s的光钟频率稳定度为5.7×10~(-17),拟合得到的环内稳定度为5×10~(-15)/τ~(1/2),表明该控制系统的精度符合锶原子光钟的闭环运行要求。     

基于 PPP 和共视技术的改进 PPP 时间频率传递方法

PPP 时间频率传递技术是高精度 GNSS 时间频率传递技术之一,且具有精度高、范围广、低成本等特点,而共视时间频 率传递的站间差分能够消除卫星钟差和削弱电离层、对流层等路径误差,本研究结合两种方法的优点实现了一种改进 PPP 时 间传递方法。 实验选取了 5 个连接 UTC(k)和 1 个外接高精度氢原子钟的 IGS 测站,建立了零基线、短基线和长基线链路评估 该方法的时频传递性能,实验结果表明,以 IGS 最终钟差产品为时间参考,改进 PPP 时间传递精度相比 PPP 提高了 2. 55% ~ 17. 78% 。 零基线链路频率稳定度达到 2. 0×10 -17 / 600 000 s,且不切换共视星时,其短期频率稳定度优于 PPP,长期频率稳定度 与 PPP 相当;非零基线链路中各链路的改进 PPP 在时间间隔 10 000 s 以后的频率稳定度相对于 IGS 最终产品和 BIPM PPP 有 10% 左右的提升。     

基于改进型BP神经网络的氢原子钟钟差预测

原子钟的钟差预测是原子钟时标计算和原子钟驾驭的关键环节,良好的钟差预测可明显提高原子钟时标和原子钟驾驭的精度。为进一步提高氢原子钟的钟差预测精度,本文提出了一种改进型的BP神经网络算法,并用中国计量科学研究院守时实验室氢原子钟组的实际数据进行了验证。验证结果表明,本文提出的改进型BP神经网络钟差预测算法与目前采用的线性回归钟差预测算法、SVM钟差预测算法相比,显著地提高了氢原子钟钟差预测精度。该钟差预测算法的提出对提高原子钟时标和驾驭精度有很好的推动作用。     

锶原子光钟钟跃迁谱线探测中的程序控制

为了实现中国科学院国家授时中心研制的锶原子光晶格钟钟跃迁的自动化探测,设计了完整的自动控制系统。该系统主要由延迟精度与同步精度在μs量级的时序控制系统和满足要求的激光频率扫描系统组成。两个控制系统均通过LabVIEW软件编程及虚拟仪器控制光场和磁场。完成了锶原子的两级冷却和光晶格囚禁,最终得到了高信噪比载波线宽为180Hz的锶原子1S0-3P0钟跃迁谱线。谱线展现了高信噪比和窄线宽的特点,表明整个锶原子光钟系统的运行较为稳健,整个控制系统满足实验对于控制精度的需求,实现了锶原子光钟系统的自动化操作与控制。该控制系统具有一定普适性,也可拓展至需要对光场及磁场进行控制的其他系统中。     

基于腔内原位探测的空间冷原子微波钟

原子钟作为目前最精密的计时仪器,在国民经济和国家安全各领域发挥着重要作用。 在地球轨道卫星上运行高精度原 子钟,可以在地球大范围内开展高精度时间同步与比对。 不同于以往通过抛射冷原子团两次经过微波腔实现 Ramsey 微波作用 的空间冷原子钟,提出了一种新型的基于腔内原位探测的空间冷原子微波钟方案,在同一微波谐振腔内先后完成铷 87 原子的 激光冷却、原子微波相互作用、冷原子探测等过程。 该方案可以更好的利用微重力环境提高钟周期中原子与微波相互作用时间 的占空比,从而有效减小 Dick 效应对原子钟性能的影响。 介绍了冷原子微波钟系统设计与工作原理,给出了微重力环境下性 能分析和预期指标,最后展示了冷原子微波钟地面测试中获得的大约为 1. 35×10 -12 τ -1/ 2 的频率稳定度,初步展示了新型空间冷 原子钟方案的可行性。     

基于Sage窗的自适应Kalman滤波用于钟差预报研究

钟差预报是时间保持工作中的一项关键技术。Kalman算法作为一种最优预报算法,具有实时性的特点,在时间保持工作中得到了广泛的应用。但是由于经典Kalman算法需要准确确定模型随机误差和测量误差,否则状态估计会引入一定的误差,在原子时算法中表现为原子钟噪声和钟差测量噪声。原子钟的噪声参数值通常是通过Allan方差估计,若估计不够准确,Kalman预报将会出现误差。通过研究基于Sage窗的自适应Kalman预报算法,实时修正状态模型误差。利用自适应因子调整状态预测协方差阵有效降低了模型误差,提高了预报精度,最后通过两台氢原子钟和两台铯原子钟的实测数据验证了算法的有效性。     

高性能磁选态光检测铯原子钟的研究

介绍了一种新型的可搬运铯原子钟,采用非均匀磁场进行选态,采用与 4-5 循环跃迁线共振的激光进行检测。 介绍了 此方案的物理系统、光学系统和电路系统。 进一步展示了基于此方案原子钟的整机与指标,最佳整机体积 4U,稳定度达到 4×10 -13@ 100 s, 4. 5×10 -14@ 10 000 s, 2. 2×10 -14@ 1 d,优于可搬运铯钟典型产品 5071A 优质型。 将此方案与磁选态磁检测铯 原子钟和光抽运铯原子钟进行了对比,并给出了此方案的优点与待解决的问题。 最后介绍了两种针对磁选态光检测铯钟的可 行性改善,一种为采用 3-2 循环跃迁线检测的反选型原子钟,一种为采用光抽运-磁选态的混合选态型原子钟,有望进一步提升 稳定度指标至稳定度低于 3×10 -13@ 100 s。     

冷原子光栅磁光阱的研制及 CPT 信号的探询

相干布居囚禁原子钟在小型化方面具备不可替代的优势。 由于热原子气室内部高压缓冲气体的限制,导致其频率稳定 度仍有进一步提升的空间。 利用激光冷却原子技术作为替代,可以有效提升其中长期性能。 然而,目前的冷原子物理系统仍然 相对复杂,不利于原子钟整体系统的集成化和小型化。 我们研制了高衍射效率光栅芯片、平面磁阱芯片以及微小型真空腔室, 共同构建基于平面核心器件的磁光阱,利用单光束捕获冷原子 2×10 6 个。 此外,为了简化 CPT 冷原子钟的激光系统,通过单激 光结合时分复用系统的方式,仅用单一 Rb D2 线激光实现了原子冷却与 CPT 探询。 以上的工作为将来实现微小型化高性能冷 原子 CPT 钟的最终锁定和性能评估奠定了重要理论和技术基础。     

氢原子钟的设计改进与性能

氢原子钟是至今为止除极短时间测量间隔之外最稳定的频率标准,由于环境温度的变化及谐振腔老化而引起谐振腔频率的变化,导致氢原子钟长期性能降低.为了减小这些影响需借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上,改善氢原子钟的长期性能,日稳定度可达到1.0×10-14.这篇文章描述了上海天文台研制的氢原子钟的技术改造与性能.