《电讯技术》专题资料《时间频率技术》题要（十二）

低气压环境对铷原子钟频率准确度的影响及一种解决方案（杨林,林海涛,刘勇军） 分析了低气压对铷原子钟频率准确度影响的机理,在国内首次提出了一种用软件进行补偿的方案,从补偿前后得到的试验数据来看,该方案获得了令人满意的结果。     

铷原子钟微波谐振腔的发展与应用

随着现代通信技术以及市场需求的发展，铷原子钟产品不断更新迭代，正在向小型化、高性能的方向发展。微波谐振腔作为铷原子钟的核心部件，正在不断向小型化方向发展。本文阐述了铷原子钟工作原理以及微波谐振腔的谐振理论，分析了铷原子钟常用的谐振模式及其场分布，介绍了铷原子钟微波谐振腔的发展以及模式转变，由此发展了填充陶瓷介质的TE₁₁₁标准谐振腔以及模式类似TE₀₁₁的非标准谐振腔。铷原子钟微波谐振腔未来也将继续向着体积更小、性能更高的方向发展。     

基于铷原子钟的时差定位技术研究

针对当前时差定位系统中存在时间测量误差较大的问题,提出了基于高性能铷原子钟的时差定位技术,介绍了时差定位的模型、铷原子钟的工作原理和性能指标,并分别对传统时差定位系统和基于铷原子钟的时差定位系统的定位精度进行了仿真计算,结果显示基于铷原子钟的时差定位系统的定位精度较传统时差定位系统的定位精度提高了9倍多.     

专辑序

量子频标(原子钟、原子频标)利用原子能级跃迁来实现高稳定度和高准确度的时间频率输出。得益于相对成熟的微波技术,氢、铷、铯这三种微波原子钟首先发展起来,在导航、通信、授时、基础研究等领域发挥了重大作用并广泛应用。近年来,光学原子钟的发展日新月异,精度已远超微波原子钟,有可能产生新的秒定义,但在众多工程应用领域,环境适应性更好、可靠性更高的微波原子钟依然不可替代。值得注意的是,相干布居囚禁技术的出现,使得微波原子钟的小型化和微型化成为可能,超低功耗的芯片尺度原子钟已经在PNT领域实现规模应用。     

原子钟在线监测评估方法设计

大型通信、测量电子系统一般配备2台或2台以上原子钟作为系统的时间、频率基准,互为备份构建主、备时频信号基准,以提高系统时频信号可靠性,保障系统连续运行。主备原子钟间虽然可通过相位比对、数据分析检测到原子钟工作状态异常状况,但是由于缺乏参考,难以通过时频系统本身区分故障来源,存在故障定位难的技术难点。针对这一问题,提出了一种基于中间振荡器的主、备用原子钟频率跳变检测、短期稳定度分析评估方法,为时频系统主、备用原子钟故障定位提供技术手段,提高时频系统故障判断准确性,并缩减系统故障定位、故障恢复时间。使用3台铷原子钟进行了测试验证,实验结果表明,该方法可实现时钟稳定度的评估,并可实现时钟频率跳变的故障定位。     

基于GPS、铷原子钟和FPGA建立统一的系统时

本文对GPS授时的优缺点和铷原子钟的高精度的特点进行了讨论,提出了一种基于GPS、铷原子钟和FPGA建立统一的系统时的设计方案,实现了系统或设备间的时间信息的统一以及秒脉冲的一致性,并给出了软硬件的设计框图。     

基于数字信道化的正弦信号快速测频方法

数字信道化接收机已经在电子战等领域得到了广泛的应用,正弦信号的快速准确测频在通信侦察中有重要意义。首先分析了基于DFT多相滤波器的信道化接收机高效结构,然后讨论了一种简化的快速测频方法,提出了将信道化处理的思想引入到快速测频问题中的解决方案。理论分析和仿真结果表明,该方案集合了信道化接收机和原始快速测频算法的优点,能够简化计算,提高原始测频算法的测频精度,适用于对测频速度要求较高但对精度要求不高的场合。     

新型原子钟及其在我国的发展

简述了原子喷泉(铯和铷)钟、离子微波钟、原子(离子)光钟、相十布居陷俘(CPT)钟、脉冲激光抽运(POP)铷原子钟以及积分球冷原子钟等新犁原子钟的基本原理;概述了这些新型原子钟在我国的研制概况,包括主要方案、特点和进展情况;指出了这种采用激光冷却和陷俘以及新物理原理的新型原子钟具有很高的潜在稳定度和准确度.最后,表明这种新型原子钟,尤其是原子(离子)光钟在我国的发展尚处起步阶段,并对这种新型原子钟在我国的发展提出了建议和评述.     

一种超宽带高速跳频信号实时非合作接收机

提出一种基于模数混合信道化宽带处理和实时流水处理技术的超宽带高速跳频信号实时非合作接收机结构,采用基于无盲区数字信道化、多通道数据融合的频率跳变时刻估计算法和针对差分相移键控(SDPSK)信号的实时解调方法,解决了超宽带高速跳频信号的实时解跳和解调难题。为进一步验证所提出结构和算法的有效性,设计并实现了一种针对2 GHz,20 000 Hop/s跳频信号的超宽带高速跳频实时非合作接收机。测试结果表明:该接收机能实现对超宽带高速跳频信号的实时解跳和解调。     

薄铷汽室饱和吸收光谱的研究

高性能的频率基准在民用、军事领域得到广泛应用。饱和吸收光谱技术是减小多普勒加宽,获得高性能原子钟的有效手段。本文介绍了原子汽室饱和吸收研究的实验装置和实验结果,发现原子汽室必须在适当温度下才能获得明显的饱和吸收光谱。对300 μm厚度的铷汽室,50 ℃时其饱和吸收的相对强度最高,交叉共振峰的相对强度比50 mm厚铷汽室明显减小,分析并解释了减小的原因。实验结论对微型高性能原子钟的研究具有参考价值。     

铷钟扩捕方法研究

铷钟的捕获带和其能否锁定密切相关,它通常比较小。对原子钟扩捕问题进行了研究,设计了主要由二次谐波幅度检测电路和由单片机同DA构成的扫描电路等组成的扩捕电路。工作时扫描电路输出三角波扫描信号,带动本振的频率扫动同时检测二次谐波的幅度,当幅值超过设定时,说明本振的频率已进入铷钟以前的捕获带,停止扫描,铷钟靠环路的作用便能锁定。以铷钟为对象进行了实验研究,实验结果是当把本振的频率调偏到捕获带以外时,不用扩捕电路环路没法锁定而使用扩捕电路后环路正常锁定,实验结果和理论分析一致。     

基于频差倍增法的频率标准装置建模与分析

在航天测控及广电电力领域,为了保证时间和频率统一,需要对时统的铷钟及髙稳晶振等设备进行高精度频率测量。采用了一种以铯原子频率标准为参考,基于频差倍增法构建的频率标准装置,根据频差倍增法测量原理,推导了测量铷钟及髙稳晶振过程中数据影响因素的数学模型,在此基础上,通过对测量影响因素的分析及实测数据计算,对装置的测量不确定度进行了分析和评定。评定结果表明,标准装置符合铷钟及髙稳晶振的检定规程要求,能够确保测量结果准确可靠。     

Theoretical analysis of the operation of an optically pumped rubidium atomic beam clock

The principle of operation of an optically pumped rubidium atomic beam clock is presented. Theoretical evaluation of the signal-to-noise ratio (S/N) of the detection of the atomic transition and the lineQfactor of the device are performed. The medium-term frequency stability of the standard is determined. We finally conclude with a brief survey of the metrological potentialities of this atomic frequency clock.     

780nm倍频激光器的研究

为了获得结构简单、成本相对低廉的高功率780nm激光, 采用了单块倍频晶体的腔外倍频方法。分布式反馈半导体激光器产生的连续激光注入光纤放大器后, 通过周期极化铌酸锂晶体进行准相位匹配, 取得了铷原子的饱和吸收光谱。结果表明, 该激光器产生了1.2W的倍频光, 具有较高的输出功率。这一结果对铷原子钟、原子干涉仪等冷原子物理实验的小型化是有帮助的。     

原子钟两级驾驭算法及在建立GNSS时间基准中的应用

本文提出了一种原子钟驾驭算法,方法是使用等价于Kalman滤波器加延迟器的数字锁相环（DPLL）。本文完整地推导了DPLL的闭环系统传递函数和闭环误差传递函数,给出了其实现结构,和每次的对于被驾驭原子钟的调整量,并给出了使DPLL输出信号的频率稳定度最优的参数选取方法。在此基础上,提出了使用两个这样的DPLL级联起来的二级驾驭算法。理论分析和仿真实验都表明：该算法相比传统原子钟驾驭算法,参数选取更容易,可以保证输出信号的频率稳定度最优;并保证输出信号与第一级的参考输入保持时间同步。该两级驾驭算法可以应用于设计锁相振荡器,即先用铯钟驾驭氢钟,然后再驾驭数控振荡器（NCO）;也可以应用于建立 GNSS 时间基准,即先用 UTC （BSNC）驾驭产生BDT,然后再用BDT驾驭主控站主钟来产生BDT（MC）。     

GPS驯服CPT原子钟方法研究

本文针对全球定位系统（GPS,Global Position System）接收机输出秒脉冲（1PPS,1 Pulse Per Second）信号的特点,以及相干布居囚禁（CPT,Coherent Population Trapping）原子钟输出频率信号的特性,设计并实现了GPS驯服CPT原子钟方案.我们建立了适合抑制1PPS信号抖动的卡尔曼滤波模型,通过理论推导和计算获得了相应噪声参数,并采用卡尔曼滤波器与平均滤波器相结合,对CPT原子钟输出频率实施滤波处理,并用GPS接收机输出的1PPS信号实施频率校准,所实现GPS驯服的CPT原子钟输出频率的中短期频率误差降低半个量级,天频率稳定度提高一个量级.     

卫星导航系统星载钟时域频率稳定度探讨

介绍了四大卫星导航系统采用的时间系统，分析了频率标准的时域频率稳定度研究内容、研究方法，推导了其实用计算方法和公式，主要对近十年以来研究 GNSS 星载原子钟频率稳定度的测算数据进行了梳理和归纳总结，对比分析了各个导航系统星载原子钟的频率稳定度， 综合数据表明大部分星载钟天稳均可达到 10-14量级，其中 GPS 星载铷钟和 Galileo 星载 PHM 钟稳定性最好。     

Stabilizing an optoelectronic microwave oscillator with photonic filters

This paper compares methods of active stabilization of an optoelectronic microwave oscillator (OEO) based on insertion of a source of optical group delay into an OEO loop. The performance of an OEO stabilized with either a high-Q optical cavity or an atomic cell is analyzed. We show that the elements play a role of narrow-band microwave filters improving an OEO stability. An atomic cell also allows for locking the oscillation frequency to particular atomic clock transitions. This reports a proof-of-principle experiment on an OEO stabilization using the effect of electromagnetically induced transparency in a hot rubidium atomic vapor cell.     

一种用于铷频标的紧凑型直接数字频率合成器

研发了高精度铷频标芯片SoC实现中应用的一种紧凑型直接数字频率合成器（DDFS) . 为了减小芯片面积和降低功耗,采用正弦对称技术、modified Sunderland 技术、正弦相位差技术、四线逼近技术以及量化和误差ROM技术对相位转正弦的映射数据进行了压缩. 利用这些技术,ROM尺寸压缩了98%. 采用标准0.35μm CMOS工艺,一个具有32位相位存储深度和10位DAC的紧凑型DDFS流片成功,其核心面积为1.6mm2. 在3.3V电源下,该芯片的功耗为167mW, 无杂散动态范围（SFDR）为61dB.     

一种优化的频率驾驭算法研究

为满足各应用领域对高精度时间性能不断提升的需求,该文设计实现了一种迭代的优化频率驾驭算法,主要分为纸面时间计算和实际物理信号实现两个部分。其中纸面时间计算采用ALGOS算法,利用实时原子钟数据和Circular T公报数据计算获得准确可靠的时间尺度,保障了驾驭参考的准确性和实时性。实时物理信号实现采用最优二次型高斯控制算法与Kalman算法综合,通过实时调整参数,计算出最优的频率驾驭量,将该驾驭量输送至频率调整设备,最终实现高精度时间信号的输出,整个驾驭系统是闭环的。该文基于我国时间基准保持系统和原子钟组,搭建试验平台,采用该算法对一台氢钟进行为期140天的频率驾驭,最终对输出的物理信号进行性能评估。试验结果表明,该算法有效提高了驾驭后物理信号的准确度和稳定度,驾驭后信号与国际标准时间协调世界时(UTC)相比,相位偏差保持在±3 ns以内,且30天稳定度优于5×10–16。