被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法
2024-01-23 04:45:15
專利名稱：被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法
技術領域：
本發明屬於被動型銣原子頻標領域技術，具體涉及一種被動型銣原子頻標正常工作狀態判斷與故障診斷的方法。
背景技術：
一臺被動型銣原子頻標由物理系統及電子線路兩大部分組成。物理系統是被動型銣原子頻標的核心部件，大致可分為光抽運譜燈和共振探測兩部分；包括光譜燈、集成濾光共振泡、微波腔、光電探測器、C場、磁屏等。它提供一個頻率穩定、線寬較窄的原子共振吸收線，原子頻標正是通過將壓控晶體振蕩器的輸出頻率鎖定在原子共振吸收峰上而獲得高穩頻率信號輸出。電子線路的主要作用是產生源於石英晶體振蕩器的微波探詢信號，並通過伺服電路將本振的輸出頻率鎖定在銣原子的基態超精細0-0躍遷頻率上。同時，為了保證物理系統的正常工作，電子線路還包含控溫、恆流源等輔助電路。
為完成整個被動型銣原子頻標光抽運及微波共振探測過程，最終實現銣原子基態超精細0-0躍遷頻率的鎖定，需要保證作為整個原子頻標系統光源的光譜燈、進行濾光及原子共振的集成濾光共振泡、使原子基態超精細結構發生塞曼分裂，並為原子躍遷提供量子化軸的C場、以及實現共振探詢和同步檢測的微波探詢信號的正常工作。隨著實際應用對被動型銣原子頻標小型化以及模塊簡易化的需求，人們希望對一臺成型的原子頻標是否正常工作以及故障點能夠一目了然，能夠簡易、方便地對故障模塊進行更換。這就需要在原子頻標產品中給出正常鎖定與故障指示功能，而國內現有大多數的原子鐘產品(包括商業用及實驗室研究用)都未能很好的給出相應的指示功能。
發明內容
基於上述現狀，本發明的目的在於提供一種在原有的被動型銣原子頻標系統中實現被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法；從整機環路中的同步鑑相信號及量子鑑頻信號出發給出相應的鎖定指示功能。
實現本發明的技術方案為被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，它包括被動型銣原子頻標系統，即由物理系統及電子線路兩大部分組成；其中物理系統包括光譜燈、集成濾光共振泡、微波腔、C場、磁屏、光電池、耦合環；電子線路包括原子頻標壓控晶體振蕩器VCXD，隔離放大電路，綜合調製電路，倍頻電路，微波倍混頻器；微波倍混頻器輸出的微波探尋信號到物理系統中，物理系統產生的本振的輸出信號經光檢放大和方波整形通過伺服電路將本振的輸出頻率鎖定在銣原子的基態超精細0-0躍遷頻率上，在原有的同步鑑相所需的調製信號、同步鑑相參考信號的同時，增添一路頻率是調製信號4倍、相位可調、佔空比為1∶1的方波採樣時序信號；該採樣時序對經量子鑑頻、光檢放大、方波整形後產生的交流信號進行鎖定信息採集，用以判斷此時刻原子頻標鎖定情況；其方法是4倍頻調製信號的採樣時序的連續4個上升沿作為觸發脈衝，分別對量子鑑頻後的信號進行電平採樣，並分別記錄為D1、D2、D3、D4，依據所記錄的四種採樣電平高低不同判斷原子頻標是否處於鎖定狀態，當電平關係式為D1＝D3並且D2＝D4時，表明原子頻標是鎖定狀態。
在被動型銣原子頻標系統中的光譜燈處設置光譜燈工作溫度檢測裝置以檢測光譜燈工作溫度狀況；在集成濾光共振泡處設置集成濾光共振泡的腔體工作溫度檢測裝置以檢測集成濾光共振泡的腔體工作溫度狀況；在C場的恆流源處設置C場的電流檢測裝置以檢測C場的電流狀況。
利用本發明方法可以實現對被動型銣原子頻標系統工作狀態的檢測，對一臺成型的原子頻標是否正常工作以及故障點能夠一目了然，能夠簡易、方便地對故障模塊進行更換。
圖1被動型銣原子頻標原理及鎖定故障監測框圖。
圖2量子鑑頻原理圖。
圖3鎖定指示判斷原理圖。
圖4量子鑑頻信號示波器觀測圖。
圖5鎖定指示判斷硬體原理框圖。
圖6鎖定指示判斷程序流程圖。
圖7故障監測原理框圖。
圖8故障診斷程序流程圖。
具體實施例方式
如圖1所示，被動型銣原子頻標系統包括原子頻標壓控晶體振蕩器VCXD，隔離放大電路，綜合調製電路，倍頻電路，微波倍混頻器；微波倍混頻器輸出的微波探尋信號到物理系統中，物理系統包括光譜燈1、集成濾光共振泡2、微波腔3、C場4、磁屏5、光電池6、耦合環7，恆流源，溫度控制器，和恆溫器。微波倍混頻器輸出的微波探尋信號到物理系統中，物理系統實現量子系統鑑頻的輸出信號經光檢放大和方波整形通過伺服電路將本振的輸出頻率鎖定在銣原子的基態超精細0-0躍遷頻率上量子。
在整個被動型銣原子頻標的工作狀態由4個監測點來完成。其中監測點1負責監測作為整個原子頻標物理系統光源的光譜燈工作溫度情況；監測點2負責監測內置進行濾光及原子共振的集成濾光共振泡的腔體工作溫度情況；監測點3負責監測使原子基態超精細結構發生塞曼分裂，並為原子躍遷提供量子化軸的C場電流情況；監測點4通過綜合器產生的同步採樣時序對來自量子系統鑑頻處理後經光檢放大、方波整形得到的信號進行採樣，通過採樣結果判斷原子頻標是否進入正常鎖定工作狀態。
如圖2所示，圖中對表徵信號幅度I的y軸進行了電反相。經綜合器調製後產生的微波探詢信號f分別處於原子基態超精細0-0躍遷中心頻率的左側、正中、右側時，經量子系統的鑑頻處理，分別得到不同的量子鑑頻信息當微波探測信號的中心頻率高於原子躍遷頻率時(f＞fo)，光電池的輸出信號和微波的調製信號同頻反相；當微波探測信號的中心頻率低於原子躍遷頻率時(f＜fo)，光電池輸出信號和微波調製信號同頻同相；當微波探測信號的中心頻率等於原子躍遷頻率時(f＝fo)時，光電池的輸出信號頻率是微波調製頻率的2倍。被動型原子頻標伺服系統正是利用這一特性，採用同步鑑相方案實現整機的閉環鎖定。
實現被動型原子頻標的鎖定指示，在保留原有的同步鑑相所需的調製信號、同步鑑相參考信號的同時，增添一路頻率是調製信號4倍、相位可調、佔空比為1∶1的方波採樣時序信號。該採樣時序對經量子鑑頻、光檢放大、方波整形後產生的交流信號進行鎖定信息採集，用以判斷此時刻原子頻標鎖定情況，其判斷原理如圖3所示。
在方波整形環節，由於鎖定狀態下信號波形的峰峰值幅度通常大致為幾百個毫伏左右，方波整形時，觸發電平的選擇應根據實際系統的鎖定信號波形幅值決定。由於整機噪聲的存在，從示波器上觀察到的鎖定信號無論是平坦區還是尖峰區都會存在毛刺，產生抖動，如圖4所示。
從而導致方波整形後得到的信號沿發生抖動(在圖3中方波整形後的信號沿部分畫得較粗，以示這種信號沿抖動的存在)。在採樣時序對這些信號進行採集時，需要避開沿抖動的環節，解決的方案是用微控制器定時中斷產生同步鑑相參考信號、4倍頻採樣時序信號，利用延時的方式實現4倍頻採樣時序信號相位任意移動。微控制器的採樣輸入端接來自於量子系統鑑頻處理後的量子鑑頻信號，同時微控制器的外部時鐘輸入端接原子頻標壓控晶體振蕩器(VCXO)經隔放後送入的信號，硬體連接如圖5所示。
具體的鎖定指示判斷根據圖3所示分為四種情況1、微波探詢信號的頻率大於(小於)原子躍遷中心頻率時，即f＞fo(f＜fo)，經量子鑑頻、光檢放大、方波整後得到的信號頻率均與原來調製信號的頻率一致，只是在相位上有所差異，此時原子頻標處於未鎖定狀態；2、微波探詢信號的頻率等於原子躍遷中心頻率時，即f＝fo，方波整形後得到的信號頻率是原調製信號的2倍，此時原子頻標處於鎖定狀態；3、微波探詢信號的頻率大大遠離原子躍遷中心頻率時，即f未進入有效的量子鑑頻吸收帶寬之內，經處理後得到的信號將是一個持續的電平，此時原子頻標處於脫鎖狀態；4、另一種特殊的情況就是，在原子頻標整機剛上電時(包含整機完全冷態上電與整機熱態重新啟動上電)，光譜燈有一個張馳振蕩的過程，此時從量子系統鑑頻輸出端會檢測到高頻無規律的信號波形，直至光譜燈進入正常工作狀態，而整個張弛振蕩過程持續的時間由具體的整機冷、熱態決定。對於這四種情況，採用4倍頻調製信號的採樣時序的連續4個上升沿作為觸發脈衝，分別對量子鑑頻後的信號進行電平採樣，並分別記錄為D1、D2、D3、D4。對於第一種情況，記錄的4個電平中有3個低電平，1個高電平；對於第二種情況，記錄的電平有關係式D1＝D3並且D2＝D4；對於第三種情況，記錄的電平有關係式D1＝D2＝D3＝D4；對於第四種情況，由於此時刻光譜燈處於張弛振蕩過程，量子鑑頻處的信號高頻無規律，多組連續4個採樣時序上升沿採樣得到的數據中有可能會出現第一種情況或第二種情況或第三種情況，故無法通過採樣電平進行判斷，解決的方法是在此環節中，所要判斷的是原子頻標是否處於鎖定狀態，第四種情況明顯說明原子頻標並未處於鎖定，在綜合調製信號部分，採用的調製信號是一個低頻信號，具體方案中取79Hz，在以連續4個上升沿觸發的4倍頻調製信號頻率的採樣時序中，可以設置多於一組(連續4個上升沿觸發為一組)採樣的判斷方式，對多組採樣得到的電平分別作原子頻標鎖定狀態判斷，並對多組判斷做與運算，得到最終的鎖定狀態判斷結果，這樣就能夠很好的第四種情況帶來的問題。
在得到第二種情況的判斷時，在用戶端使能鎖定指示，表徵此時原子頻標處於正常的鎖定工作狀態；在得到第一、三、四種情況的判斷時，系統鎖定指示使能為非狀態，表徵此時原子頻標未能進入正常的鎖定工作狀態，在通過故障診斷程序的判斷後，可以得到整機物理系統相關的功能部件故障指示，方便用戶及調試人員對故障的判斷。如圖6所示。
在得到原子頻標鎖定狀態判斷結果後，尤其是得到非鎖定狀態指示結果後，是何原因造成的可進一步結合對監測點1、監測點2和監測點3的監測結果分析故障原因。
如圖7所示，緊貼於光譜燈部分的熱敏電阻1用於實時反映光譜燈的實際工作溫度，對於被動型銣原子頻標而言，光譜燈正常工作溫度大致在一百多度左右，在此溫度下，假如光譜燈溫度變化1℃，則反映燈工作溫度的熱敏電阻1的阻值變化將在50Ω左右。將熱敏電阻1接入一個由電壓基準1及溫度係數較小的固定電阻R1構成的串聯環路中，通過A/D模塊對熱敏電阻1兩端的電壓進行採集，並將採樣結果傳遞給單片機，通過單片機對A/D模塊採樣結果進行分析即可間接地判斷光譜燈工作溫度情況。此監測點1的故障發生有如下兩種情況1、光譜燈激勵線圈及加熱電路故障，表現為光譜燈中的銣元素不能正常起輝，導致光抽運過程無法完成，最終使整個被動型原子頻標無法實現閉環鎖定。2、控溫電路故障，表現為光譜燈中的銣元素已經正常發光，光抽運過程正常，整機實現閉環鎖定，由於光譜燈溫度存在影響整機頻率穩定度的波動，導致原子頻標輸出信號頻率穩定度變差，不能滿足實際應用的需求。以上故障經單片機採集、分析A/D模塊的數據後，將故障指示輸出給用戶端。
緊貼於集成濾光共振泡部分的熱敏電阻2用於實時反映腔泡系統的實際工作溫度情況，對於被動型銣原子頻標而言，腔泡系統正常工作溫度大致在七十度左右，在此溫度下，假如腔泡系統溫度變化1℃，則反映其工作溫度的熱敏電阻2的阻值變化將在600Ω左右。將熱敏電阻2接入一個由電壓基準2及溫度係數較小的固定電阻R2構成的串聯環路中，通過A/D模塊對熱敏電阻2兩端的電壓進行採集，並將採樣結果傳遞給單片機，通過單片機對A/D模塊採樣結果進行分析即可間接地判斷腔泡系統工作溫度情況。此監測點2的故障發生主要是控溫電路故障，表現為集成濾光共振泡中的銣蒸氣由於腔泡溫度不穩定而有分布不均勻、密度不一致的現象，影響光抽運的效果，導致整機輸出信號頻率穩定度變差，不能滿足實用的需求。以上故障經單片機採集、分析A/D模塊的數據後，將故障指示輸出給用戶端。
在被動型銣原子頻標中，系統所需磁場的製法往往是採用螺旋管電流方式，根據右手螺旋定則，電流產生的磁場方向可以方便地給出。其大小可用公式(1)計算B=042nI(cos1-cos2)...(1)]]>其中，n為線圈單位長度匝數，它與C場的繞線圈數、繞線半徑相關。I為通電電流， 為一常數值10-7。cosβ1、cosβ2與計算通電腔內具體某處的磁場有關。將一個溫度係數小的固定電阻R3與恆流源串聯，同時與C場線圈構成一個閉合串聯環路。通過A/D模塊對固定電阻R3兩端的電壓進行採集，並將採樣結果傳遞給單片機，通過單片機對A/D模塊採樣結果進行分析即可間接地判斷整機C場環路工作情況。對於被動型銣原子頻標而言，實際用C場恆流源電流大致為1-2mA。此監測點3的故障發生主要是恆流源電路故障，表現為C場電流起伏大甚至無電流現象，影響，原子分裂及量子化軸的效果。以上故障經單片機採集、分析A/D模塊的數據後，將故障指示輸出給用戶端。
其監測流程如圖8所示。
權利要求
1.一種被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，它包括被動型銣原子頻標系統，動被型銣原子頻標系統由物理系統及電子線路兩大部分組成；其中物理系統包括光譜燈、集成濾光共振泡、微波腔、C場、磁屏；電子線路包括原子頻標壓控晶體振蕩器VCXD，隔離放大電路，綜合調製電路，倍頻電路，微波倍混頻器；微波倍混頻器輸出的微波探尋信號到物理系統中，物理系統實現量子系統鑑頻的輸出信號經光檢放大和方波整形通過伺服電路將本振的輸出頻率鎖定在銣原子的基態超精細O-O躍遷頻率上，其特徵在於在原有的同步鑑相所需的調製信號、同步鑑相參考信號的同時，增添一路頻率是調製信號4倍、相位可調、佔空比為1∶1的方波採樣時序信號；該採樣時序對經量子鑑頻、光檢放大、方波整形後產生的交流信號進行鎖定信息採集，用以判斷此時刻原子頻標鎖定情況；其方法是4倍頻調製信號的採樣時序的連續4個上升沿作為觸發脈衝，分別對量子鑑頻後的信號進行電平採樣，並分別記錄為D1、D2、D3、D4，依據所記錄的四種採樣電平高低不同判斷原子頻標是否處於鎖定狀態，當電平關係式為D1＝D3並且D2＝D4時，表明原子頻標是鎖定狀態。
2.如權利要求1所述被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，其特徵在於在光譜燈處設置光譜燈工作溫度監測裝置以監測光譜燈工作溫度狀況；在集成濾光共振泡處設置集成濾光共振泡的腔體工作溫度監測裝置以監測集成濾光共振泡的腔體工作溫度狀況；在C場的恆流源處設置C場的電流監測裝置以監測C場的電流狀況。
3.如權利要求1所述被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，其特徵在於用微控制器定時中斷產生同步鑑相參考信號、4倍頻採樣時序信號，利用延時的方式實現4倍頻採樣時序信號相位任意移動；微控制器的採樣輸入端接來自於量子系統鑑頻處理後的量子鑑頻信號，同時微控制器的外部時鐘輸入端接原子頻標壓控晶體振蕩器VCXO經隔放後送入的信號。
4.如權利要求2所述被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，其特徵在於所述光譜燈工作溫度的監測是緊貼於光譜燈部分設熱敏電阻1，熱敏電阻1接入一個由電壓基準1及溫度係數較小的固定電阻R1構成的串聯環路中，通過A/D模塊對熱敏電阻1兩端的電壓進行採集，並將採樣結果傳遞給單片機，通過單片機對A/D模塊採樣結果進行分析即可間接地判斷光譜燈工作溫度情況。
5.如權利要求2所述被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，其特徵在於所述集成濾光共振泡的腔體工作溫度的監測是緊貼於集成濾光共振泡部分的熱敏電阻2，熱敏電阻2接入一個由電壓基準2及溫度係數較小的固定電阻R2構成的串聯環路中，通過A/D模塊對熱敏電阻2兩端的電壓進行採集，並將採樣結果傳遞給單片機，通過單片機對A/D模塊採樣結果進行分析即可間接地判斷腔泡系統工作溫度情況。
6.如權利要求2所述被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，其特徵在於所述C場的電流的監測是。將一個溫度係數小的固定電阻R3與恆流源串聯，同時與C場線圈構成一個閉合串聯環路。通過A/D模塊對固定電阻R3兩端的電壓進行採集，並將採樣結果傳遞給單片機，通過單片機對A/D模塊採樣結果進行分析即可間接地判斷整機C場環路工作情況。
7.如權利要求1所述被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，其特徵在於原子頻標鎖定指示判斷中具有光譜燈出現張弛振蕩的非鎖定狀態的判斷，它是在綜合調製電路中，採用的調製信號是一個低頻信號，在以連續4個上升沿觸發的4倍頻調製信號頻率的採樣時序中，設置多於一組採樣的判斷方式，對多組採樣得到的電平分別作原子頻標鎖定狀態判斷，並對多組判斷做與運算，得到最終的鎖定狀態判斷結果；其中連續4個上升沿觸發為一組。
全文摘要
本發明公開了一種被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法。它是對在原有的同步鑑相所需的調製信號、同步鑑相參考信號的同時，增添一路頻率是調製信號4倍、相位可調、佔空比為1∶1的方波採樣時序信號；該採樣時序對經量子鑑頻、光檢放大、方波整形後產生的交流信號進行鎖定信息採集，用以判斷此時刻原子頻標鎖定情況；其方法是4倍頻調製信號的採樣時序的連續4個上升沿作為觸發脈衝，分別對量子鑑頻後的信號進行電平採樣，並分別記錄為D1、D2、D3、D4，依據所記錄的四種採樣電平高低不同判斷原子頻標是否處於鎖定狀態，當電平關係式為D1＝D3並且D2＝D4時，表明原子頻標是鎖定狀態。利用本發明方法可以實現對被動型銣原子頻標系統工作狀態的檢測，對一臺成型的原子頻標是否正常工作以及故障點能夠一目了然，能夠簡易、方便地對故障模塊進行更換。
文檔編號G01R31/00GK101055247SQ200710052188
公開日2007年10月17日 申請日期2007年5月17日 優先權日2007年5月17日
發明者雷海東, 王豔, 李超, 餘鍅, 魯道邦, 陳智勇, 裘曉俊, 金鑫, 左毅力, 陳雲起, 管妮娜, 朱熙文, 盛榮武 申請人:江漢大學