一種原子頻標的製作方法

2023-05-21 07:04:51 4

本實用新型涉及原子頻標領域，特別涉及一種原子頻標。

背景技術：

為獲得大自然中比較穩定的時間頻率，人們通過對銣、銫、氫等原子施加弱磁場，使其原子能級由基態轉變為激發態，利用不受外界磁場幹擾的基態超精細結構0-0躍遷中心頻率作為參照時間頻率值。

在原子頻標中，壓控晶振輸出的探測信號經過綜合模塊處理得到微波探詢信號，微波探詢信號包括f1、f2兩個邊帶；物理系統對微波探詢信號進行鑑頻，將會得到兩個鑑頻信號V1、V2，如果V1等於V2，說明f1、f2恰好處於原子譜線中心頻率fo左右兩側且正好對稱，此時微波探詢信號對準了原子躍遷中心頻率；而當V1不等於V2時，伺服模塊根據鑑頻信號產生糾偏電壓作用於壓控晶振，以調整壓控晶振的輸出頻率；通過上述結構單元，最終將壓控晶振的輸出頻率鎖定在原子躍遷中心頻率上。

在實現本實用新型的過程中，實用新型人發現現有技術至少存在以下問題：

由於物理系統中微波腔中原子所加磁場可能受電子線路(壓控晶振、綜合模塊、伺服模塊等)影響，微波腔中各個部位的原子的共振頻率會有差別，而實際的原子譜線是各部分原子譜線的疊加，原子譜線形狀反映了微波腔中磁場分布的情況，在這種情況下，原子譜線由於施加磁場的不均勻、不對稱，就會導致實際的原子譜線出現畸變，在原子譜線畸變的情況下，當f1和f2處於fo的兩側時，檢測到的兩個電壓V1和V2是不相等的，也就是說，在現有技術中，認為對準原子躍遷中心頻率fo時，即V1＝V2時，實際上並沒有真實地反映中心頻率值。因此，現有技術無法準確的鎖定原子躍遷中心頻率。

技術實現要素：

為了解決現有技術的問題，本實用新型實施例提供了一種原子頻標。所述 技術方案如下：

本實用新型實施例還提供了一種原子頻標，所述原子頻標包括：壓控晶振、綜合模塊、物理系統、同步鑑相模塊和中央處理器，所述物理系統包括對稱設置在微波腔內的第一光電池和第二光電池；

所述壓控晶振，提供一探測信號；

所述綜合模塊同時與所述壓控晶振及所述物理系統電連接，並對所述探測信號進行調製並將經過調製的探測信號作用於所述物理系統上；

所述同步鑑相模塊同時與所述綜合模塊及所述物理系統電連接，並通過同步鑑相技術分別得到與所述第一光電池對應的第一誤差信號ΔW1以及與所述第二光電池對應的第二誤差信號ΔW2；

所述中央處理器同時與所述同步鑑相模塊及所述壓控晶振電連接；

所述同步鑑相模塊包括第一同步鑑相單元和第二同步鑑相單元，所述第一同步鑑相單元與所述第一光電池電連接，所述第二同步鑑相單元與所述第二光電池電連接。

在本實用新型實施例的一種實現方式中，所述第一光電池和所述第二光電池為相同的光電池。

在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述第一光電池和第二光電池關於所述微波腔的中軸線對稱。

在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述物理系統還包括：光譜燈、繞設在所述微波腔上的C場線圈、與所述C場線圈電連接的恆流源、設於所述微波腔內的集成濾光共振泡、以及設於所述微波腔尾部的耦合環，所述集成濾光共振泡和所述光電池均設在所述光譜燈的光路上，且所述集成濾光共振泡位於所述光譜燈和所述光電池之間，所述微波腔尾部是指所述微波腔內遠離所述光譜燈的一端。

在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述第一光電池和所述第二光電池為在800nm有最強感光效應的矽光電池。

在本實用新型實施例的另一種實現方式中，所述綜合模塊包括隔離放大器、射頻倍頻單元、微波倍混頻單元、微處理器和頻率合成器，所述微處理器分別與所述同步鑑相模塊、所述隔離放大器和所述頻率合成器電連接，所述隔離放大器分別與所述壓控晶振和所述射頻倍頻單元電連接，所述微波倍混頻單元分 別與所述射頻倍頻單元、所述頻率合成器及所述物理系統電連接。

其中，所述頻率合成器為直接式數字頻率合成器。

本實用新型實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：

在本實用新型實施例中，物理系統中設置有兩個光電池，我們採用未經調製的探測信號分別通過這兩個光電池擬合出第一原子譜線和第二原子譜線，此時，物理系統未受到電子線路幹擾，因此擬合出的原子譜線不包括電子線路幹擾成分。在糾偏時，採用調製的探測信號的兩個邊帶分別從第一原子譜線和第二原子譜線查找對應值，並分別計算出兩個電壓差V11-V12和V21-V22，而此時通過鑑頻和同步鑑相同時得到對應第一光電池的第一誤差信號ΔW1和第二誤差信號ΔW2。分別計算ΔV1和ΔV2，ΔV1＝V11-V12-ΔW1，ΔV2＝V21-V22-ΔW2，然後分別判斷ΔV1、ΔV2，如果它們同時為正或負，說明系統由於物理系統部分原因需要糾偏，那麼中央處理器將執行糾偏動作；如果中央處理器判斷ΔV1、ΔV2一正一負，說明物理系統可能是由於電子線路的幹擾出現了不同的糾偏需求，此時，中央處理器將不進行糾偏動作；如果判斷ΔV1為0，可以認為此時整個原子頻標已鎖定，將不進行糾偏操作；如果判斷ΔV2為0、ΔV1不為0，可以認為此時並未鎖定，將進行糾偏動作。通過在上述的四種情況分別進行相應的操作，直至ΔV1＝0實現整個系統的閉環鎖定，避免了電子線路產生的磁場對於原子頻標正極鎖定的影響。

附圖說明

為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1是本實用新型實施例提供的原子頻標的結構示意圖；

圖2是本實用新型實施例提供的原子頻標伺服控制方法的流程圖。

具體實施方式

為使本實用新型的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖對本實用新型實施方式作進一步地詳細描述。

圖1是本實用新型實施例提供的一種原子頻標的結構示意圖，參見圖1，原子頻標包括：壓控晶振201、綜合模塊202、物理系統203、同步鑑相模塊204和中央處理器205，物理系統203包括對稱設置在微波腔內的第一光電池231和第二光電池232。

壓控晶振201，提供一探測信號。

綜合模塊202同時與壓控晶振201及物理系統203電連接，並對探測信號進行調製並將經過調製的探測信號作用於物理系統203上。

同步鑑相模塊204同時與綜合模塊202及物理系統203電連接，並通過同步鑑相技術分別得到與第一光電池231對應的第一誤差信號ΔW1以及與第二光電池232對應的第二誤差信號ΔW2。

中央處理器205同時與同步鑑相模塊204及壓控晶振201電連接，並在第一原子譜線圖上查找經過調製的探測信號兩個邊帶對應的電壓值V11和V12，在第二原子譜線圖上查找經過調製的探測信號兩個邊帶對應的電壓值V21和V22；計算ΔV1和ΔV2，ΔV1＝V11-V12-ΔW1，ΔV2＝V21-V22-ΔW2；當ΔV1和ΔV2的乘積為正時，對原子頻標進行糾偏；當ΔV1和ΔV2的乘積為負時，不對原子頻標進行糾偏；當ΔV1和ΔV2的乘積為0，且ΔV1不為0時，對原子頻標進行糾偏；當ΔV1和ΔV2的乘積為0，且ΔV1為0時，不對原子頻標進行糾偏。

中央處理器205中存儲有第一原子譜線圖和第二原子譜線圖，第一原子譜線圖和第二原子譜線圖是將未經調製的探測信號作用於物理系統203上，通過掃頻技術擬合得到的，第一原子譜線圖和第一光電池231對應，第二原子譜線圖和第二光電池232對應。

具體地，在物理系統未接入原子頻標時，通過輸入未經調製的探測信號，然後檢測其輸出，從而擬合原子譜線圖，在此過程中物理系統中磁場未受到原子頻標中電子線路的影響，擬合得到的原子譜線圖精度高。其中，未經調製的探測信號可以由一個頻率源輸入。其中，掃頻是指控制頻率在一定範圍內逐漸變化。

可選地，中央處理器205用於在確定對原子頻標進行糾偏時，將上述第一誤差信號ΔW1輸入到原子頻標的壓控晶振。

本實用新型實施例以第一誤差信號ΔW1作為主要糾偏，第二誤差信號Δ W2作為輔助信號，用於判斷是否需要進行糾偏。

在本實用新型實施例中，第一光電池231和第二光電池232為相同的光電池。具體第一光電池231和第二光電池232為同一型號、同一批次的光電池。

在本實用新型實施例中，第一光電池231和第二光電池232關於微波腔的中軸線對稱。微波磁場的縱向分量的強度在耦合環兩側最強，所以在工作狀態下原子共振躍遷信號最強的地方在微波腔的腔體兩邊，故將第一光電池231和第二光電池232對稱地安裝在中心軸線的兩側。這樣它們獲得的信號最強並且能夠一致的反映物理系統的量頻情況。

在本實用新型實施例中，物理系統203還包括：光譜燈、繞設在微波腔上的C場線圈、與C場線圈電連接的恆流源、設於微波腔內的集成濾光共振泡、以及設於微波腔尾部的耦合環，集成濾光共振泡和光電池均設在光譜燈的光路上，且集成濾光共振泡位於光譜燈和光電池之間，微波腔尾部是指微波腔內遠離光譜燈的一端。

可選地，第一光電池231和第二光電池232為在800nm有最強感光效應的矽光電池，以提高光檢的精度。

在本實用新型實施例中，同步鑑相模塊204包括第一同步鑑相單元241和第二同步鑑相單元242，第一同步鑑相單元241與第一光電池231電連接，第二同步鑑相單元242與第二光電池232電連接。

在本實用新型實施例的另一種實現方式中，綜合模塊202包括隔離放大器221、射頻倍頻單元222、微波倍混頻單元223、微處理器224和頻率合成器225，微處理器224分別與同步鑑相模塊204、隔離放大器221和頻率合成器225電連接，隔離放大器221分別與壓控晶振201和射頻倍頻單元222電連接，微波倍混頻單元分別與射頻倍頻單元222、頻率合成器225及物理系統203電連接。

其中，壓控晶振201輸出探測信號；隔離放大器221用於將壓控晶振201的輸出頻率信號進行隔離和放大；微處理器224和頻率合成器225用於產生綜合調製信號；隔離放大器221的輸出信號經過射頻倍頻單元222輸出至微波倍混頻單元223，微波倍混頻單元223用於對射頻倍頻單元222的輸出信號和綜合調製信號同時進行倍頻和混頻，以產生經過調製的探測信號；物理系統203用於對經過調製的探測信號進行鑑頻，產生鑑頻信號；同步鑑相模塊204對鑑頻信號進行選頻放大後與參考信號進行同步鑑相，產生誤差信號。

其中，微處理器224採用隔離放大器221的輸出作為參考源，通過串行通訊方式向頻率合成器225發送頻率合成指令，同時微處理器224直接向頻率合成器225的鍵控調頻引腳送一路79Hz鍵控調頻信號。頻率合成器225接收微處理器224發來的頻率合成指令，以射頻倍頻單元222的輸出為參考源，產生直接數字頻率合成的5.3125MHz±Δf的綜合調製信號，其中Δf的大小由原子頻標物理系統203的具體線寬決定。微處理器224還產生的兩路79Hz的參考信號分別送入第一同步鑑相單元241和第二同步鑑相單元242，用於進行同步鑑相。微處理器224產生的送至頻率合成器225中的79Hz鍵控調頻信號與送至同步鑑相模塊204的79Hz參考信號具有相同相位。

其中，頻率合成器225為直接式數字頻率合成器。

圖2是本實用新型實施例提供的一種原子頻標伺服控制方法的流程圖，參見圖2，該方法包括：

步驟S11：將未經調製的探測信號作用於物理系統上，物理系統包括對稱設置在微波腔中的第一光電池和第二光電池。

步驟S12：通過掃頻技術擬合出與第一光電池對應的第一原子譜線圖以及與第二光電池對應的第二原子譜線圖。

具體地，在物理系統未接入原子頻標時，通過輸入未經調製的探測信號，然後檢測其輸出，從而擬合原子譜線圖，在此過程中物理系統中磁場未受到原子頻標中電子線路的影響，擬合得到的原子譜線圖精度高。其中，未經調製的探測信號可以由一個頻率源輸入。其中，掃頻是指控制頻率在一定範圍內逐漸變化。

在本實用新型實施例中，通過掃頻技術擬合出與第一光電池對應的第一原子譜線圖以及與第二光電池對應的第二原子譜線圖，包括：

控制未經調製的探測信號進行掃頻；

採集第一光電池輸出的鑑頻信號的第一電壓以及與第一電壓一一對應的探測信號頻率值，擬合出第一原子譜線圖；採集第二光電池輸出的鑑頻信號的第二電壓以及與第二電壓一一對應的探測信號頻率值，擬合出第二原子譜線圖。

步驟S13：將經過調製的探測信號作用於物理系統上，通過同步鑑相技術分別得到與第一光電池對應的第一誤差信號ΔW1以及與第二光電池對應的第二 誤差信號ΔW2。

在本實用新型實施例中，通過同步鑑相技術分別得到與第一光電池對應的第一誤差信號ΔW1以及與第二光電池對應的第二誤差信號ΔW2，包括：

獲取物理系統產生的第一鑑頻信號和第二鑑頻信號，第一鑑頻信號由第一光電池輸出，第二鑑頻信號由第二光電池輸出；

將第一鑑頻信號與參考信號進行同步鑑相，得到第一誤差信號ΔW1，將第二鑑頻信號與參考信號進行同步鑑相，得到第二誤差信號ΔW2。

步驟S14：在第一原子譜線圖上查找經過調製的探測信號兩個邊帶對應的電壓值V11和V12，在第二原子譜線圖上查找經過調製的探測信號兩個邊帶對應的電壓值V21和V22。

具體地，經過調製的探測信號包括兩個邊帶f1、f2，在原子譜線可以查找到對應的電壓值。

步驟S15：計算ΔV1和ΔV2，ΔV1＝V11-V12-ΔW1，ΔV2＝V21-V22-ΔW2。

步驟S16：當ΔV1和ΔV2的乘積為正時，對原子頻標進行糾偏；當ΔV1和ΔV2的乘積為負時，不對原子頻標進行糾偏；當ΔV1和ΔV2的乘積為0，且ΔV1不為0時，對原子頻標進行糾偏；當ΔV1和ΔV2的乘積為0，且ΔV1為0時，不對原子頻標進行糾偏。

可選地，對原子頻標進行糾偏包括：將上述第一誤差信號ΔW1輸入到原子頻標的壓控晶振。

本實用新型實施例以第一誤差信號ΔW1作為主要糾偏，第二誤差信號ΔW2作為輔助信號，用於判斷是否需要進行糾偏。

本領域普通技術人員可以理解實現上述實施例的全部或部分步驟可以通過硬體來完成，也可以通過程序來指令相關的硬體完成，所述的程序可以存儲於一種計算機可讀存儲介質中，上述提到的存儲介質可以是只讀存儲器，磁碟或光碟等。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。