星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

简要介绍CPT原子钟工作原理,讨论原子频标的两个重要指标:短期稳定性和频率漂移.对CPT原子钟的锁频伺服控制电路进行系统分析和优化设计,并通过饱和吸收稳频实验验证所设计伺服控制电路的稳频性能,100 s的频率稳定度达到1.6×10-12,有望进一步提高频率稳定性.     

一种适用于10.6μm外差探测的激光稳频系统

利用分子光谱线的斯塔克效应,将CO_2激光器频率锁定在NH_2D吸收线上,测试了斯塔克盒的巴邢(Paschen)曲线;讨论了频率稳定性的测试.用拍频的Allan方差评定,得到的长期频率稳定性为3.5×10~(-10),短期频率稳定性为7.86×10~(-10)。其中短期稳定性指标是该类稳频系统首次得到的.     

星载MEMS原子钟稳频系统的优化及实验研究

简要介绍CPT原子钟工作原理,讨论原子频标的两个重要指标：短期稳定性和频率漂移。对CPT原子钟的锁频伺服控制电路进行系统分析和优化设计,并通过饱和吸收稳频实验验证所设计伺服控制电路的稳频性能．100s的频率稳定度达到1．6×10^-12,有望进一步提高频率稳定性。     

一种基于遗传算法的混合滤波器组设计方法

针对可满足近似完全重构的双通道混合滤波器组,其中高阶数的模拟滤波器一般不容易设计优化。采用遗传算法设计5阶模拟分解滤波器,并基于逆快速傅里叶变换实现数字综合滤波器的设计优化以滤除掉镜像频谱,保证近似完全重构。文中设计了由5阶模拟分解滤波器和32阶数字综合滤波器组成的混合滤波器组,仿真结果表明:可以实现的最大失真误差为4.761 8×10-11dB,平均失真误差为-9.2×10-14dB,最大混叠误差为-154 dB,平均混叠误差为-200 dB,可满足24 bits的模数转换器系统的要求。     

基于85Rb的微型化CPT原子钟的设计和实现

介绍基于85Rb原子相干布居囚禁(CPT)现象的微型原子钟的设计与实现,系统以MSP430单片机作为主控芯片,实现电流源、TCXO和射频等功能模块,并与CPT原子钟物理部分实现联调与整机封装,实现了高稳定度、低功耗的小型CPT原子钟。整机体积只有31 cm3,功耗为660 mW,测得10 MHz输出信号稳定度约为2×10-10 s-1,4×10-11/1 000 s。系统采用全宽调制在85Rb的D1线实现CPT原子钟方案,可提升CPT共振谱线对比度,提高原子钟稳定度。     

实用性相干光纤通信激光信号源在我国首次研制成功

南京工学院在北京大学和中国计量科学研究院协作下,在我国首次研制成功1.5μmHe—Ne激光相干光纤通信号源.其指标为:单模输出功率0.45mW,频率稳定性为10~(-10)量级(1秒和10秒取样时间),二台激光器的拍频线宽小于1MHZ,拍频漂移量小于1MHz,室温下连续工作24小时以上不跳模.其外形尺寸;稳频激光器系统为50×18×18cm~3,激电源和伺服系统为36×32×12cm~3.激光器的寿命大于1万小时.该稳频He-Ne激光器可用作相干光纤通信信号源或本振器.     

双频激光器的稳频研究

本文研究了双频激光器的单模工作条件,频差随磁场强度的变化,以及左右旋偏振光由兰姆下陷所引起的多个稳频点问题.利用拍频方法测出双频激光器的频率重复性优于4.4×10~(-8),长时间(2小时)频率稳定性优于2.5×10(~-8).     

导航原子钟

一、前言本文介绍用于宇宙飞行器上的超稳定原子钟的研制。其要求为体积小、重量轻、功率消耗低并在-54°至+71℃温度范围内具有±5×10~(-14)长期稳定度。由此要求可以看出,其稳定度要比现有原子钟高一千倍,而且在宇宙飞行器的恶劣环境下要保持这样高的稳定度。     

S波段介质稳频调制器

本文介绍了一种采用A_7介质谐振器制成的S波段介质稳频调制器的设计和实验结果。采用加载带阻滤波稳频获得了良好的稳频效果。在-40℃～+50℃温度范围内,输出功率为10毫瓦时,频率稳定度为±0.4×10~(-4)～±1.46×10~(-4),输出功率≥40毫瓦时,频率稳定度为±3×10~(-4)。调频范围大于600千赫,电调灵敏度为200千赫/伏,调频非线性<6％;体积仅有(60×60×30)立方毫米,可以同时传送遥控(遥测)和话音。     

L波段介质稳频振荡器

本文阐述应用A_7介质谐振器稳频的L波段微波集成振荡器的分析、设计和试验结果.采用介质谐振器与振荡电路直接耦合的加载带阻滤波器稳频方式可获得良好的稳频效果,在-60～50℃温度范围内,频稳度优于5×10~(-4),输出功率大于4mW,可做雷达、通信及电视传输系统中的发射机泵源或接收机本振.     

基于BP神经网络的高精度本地多基准时钟合成算法研究

解决基于单个原子钟的系统频率准确度难以突破10^-12量级,基于多基准时钟合成算法的系统无法同时显著改善时钟的长期稳定性和短期稳定性,难以满足未来诸多领域超高精度时钟同步需求的问题,本文将多基准时钟合成算法和神经网络算法相结合,提出一种基于误差逆传播算法神经网络（BP神经网络）的本地多基准时钟合成算法,可以同时改善时钟源的短期和长期稳定性.     

Long-term ultra-precision phase synchronization technique for locking the repetition rate of OFCs based on FLOM-PD

Long-term ultra-precision synchronization between optical frequency combs (OFCs) and microwave oscillators is important for various fields, including scientific observation, smart grid, positioning and navigation, etc. Here, a phase-locked loop system based on fiber loop optical-microwave phase detector (FLOM-PD) is proposed to realize the synchronization of the repetition rate of OFCs and rubidium atomic clocks. Firstly, the scheme and locking process of the system are elaborated, then the mathematical model of the system is established, and the feasibility of the scheme is proved by theoretical analysis and experimental verification. After synchronization, the instability of the system reaches 8.69×10-12 at 1 s and 2.94×10-13 at 1 000 s, indicating that the phase synchronization system can achieve ultra-precision and stability of OFCs repetition rate.     

Transmission of precise phase coherent optical signals using a VCSEL stabilization system

To improve the time and frequency reference standards used for radio astronomy and high precision atomic physics applications, we describe a novel stable frequency transmission technique. The approach uses a vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL) based phase correction actuator. Using a frequency mixing process for feedback control, the phase noise induced along the 26 km G.655 optical fibre link was actively reduced. This was achieved by using a 1 310 nm dither controlled VCSEL phase error correction actuator together with the inherent chromatic dispersion properties of the fibre. The technique corrects phase noise and optical signal drift along the fibre at the transmission end. Fractional frequency instabilities across the G.655 fibre link of 4.44×10-12 at 1 s and 4.86×10-14 at 104 s are successfully reported.     

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.     

Study on ultra-precision phase synchronization technique employing phase-locked loop

Microwave-to-optical phase synchronization techniques have attracted growing research interests in recent years. Here, we demonstrate tight, real-time phase synchronization of an optical frequency comb to a rubidium atomic clock. A detailed mathematical model of the phase locking system is developed to optimize its built-in parameters. Based on the model, we fabricate a phase locking circuit with high integration. Once synchronized, the fractional frequency instability of the repetition rate agrees to 6.35×10^-12 at 1 s and the standard deviation is 1.5 mHz, which indicates the phase synchronization system can implement high-precision stabilization. This integrated stable laser comb should enable a wide range of applications beyond the laboratory.     

一种微型化制造的双腔结构芯片原子钟87Rb蒸汽腔

碱金属蒸汽腔是芯片原子钟（CSACs）中重要的核心部件之一,其微型化制造具有重要的实用价值,同时也非常具有挑战性。采用MEMS 技术批量化制作了具有双腔结构的芯片原子钟87Rb 蒸汽腔阵列。在阳极键合过程中,通过原位化学反应产生纯净的87Rb 元素蒸汽,缓冲气体（N2）采用反充的方法充入到87Rb 蒸汽腔内以保证缓冲气体的压强可以精确的控制。所设计的双腔结构可以防止原位化学反应中产生的杂质阻挡光路,从而能够提高探测到的光信号的强度。通过原子钟桌面系统测试,得到了87Rb 元素D1 线的光学吸收谱和用于芯片原子钟锁频的误差信号,在90℃时,87Rb 元素D1 线纠偏信号的线宽（波峰与波谷间距）可达到0.53 kHz。测试结果表明,双腔结构的87Rb 蒸汽腔满足芯片原子钟或其他芯片级原子器件的设计要求。     

基于TDC的二级频率标准驯服算法

利用全球定位系统(GPS)接收到的秒脉冲(1PPS),对常见的二级频率源温补晶振(TCXO)和相干布局囚禁(CPT)原子钟驯服开展研究。设计了硬件锁相环的驯服方案,利用时间数字转换器(TDC)测量本地分频1PPS与GPS接收机收到的1PPS时间差,实现本地信号相对GPS时间信号的锁定。锁定之后,TCXO实现了万秒稳定度为8.5×10^-12,驯服后3.5×10⁴ s的平均频率准确度提升至5倍以上。此外,深入研究了CPT原子钟的噪声模型,在Matlab上对其进行仿真,建立起频率白噪声和频率随机游走噪声在阿伦方差曲线上的对应关系,对比了平均滤波和平均滤波+卡尔曼滤波2种滤波测频方案对CPT原子钟的驯服效果,频率稳定度在5×10⁴ s时有一个数量级的提升。     

卡尔曼滤波在原子钟驯服中的应用

利用授时型接收机的秒信号驯服原子钟,可以提高原子钟的长期稳定度。由于接收机受各种噪声的影响将导致得到的铷钟相对于星钟频差数据不精确。本文设计了一种应用于校频系统的卡尔曼滤波算法,卡尔曼并采用FPGA内嵌ARM处理器对算法进行了验证,多次采样的数据滤波处理得到了满足要求的频差数据,为校准铷原子钟创造了条件提供依据。