用激光致冷的精确的~9Be+原子钟

在原子频标中采用激光致冷储存离子,因其大大地抑制了多普勒效应,将有可能达到非常高的准确度。利用~(201)Hg~+基态超精细跃迁的原子钟,其准确度与稳定度都可能超过1×10~(-15)量级。但用激光致冷的~9Be~+离子更易于用实验方法获得。所以,研究~9Be~+频标是为了研究离子储存频标中激光致冷的一般性问题。实验中约有300个~9Be~+离子储存在一彭宁陷阱(PenningTrap)中,用激光对其致冷。在～0.82T磁场时,观测到频率为303MHz的基态(MI,MJ)=(-3/2,1/2)→(-1/2,1/2)核自旋翻转超精细跃迁,其跃迁频率与一阶磁场无关。用时域Ramsey询问法测得线宽为25MHz。被锁定到该跃迁频率上的振荡器的稳定度达:采样时间间隔为400s<τ<3200s时(τ)≌2×10~(-11)。用测量离子速度分布的方法测定二阶多普勒频移约在5×10~(-14)量级。在本实验中,磁场不稳定性影响约在3×10~(-14)量级。所有其它系统误差估计皆小于3×10~(-14)。     

多路径效应对GPS多普勒测速的影响

针对全球定位系统（GPS）多普勒观测值在城市环境中受多路径效应影响,从而导致测速误差大的问题,从多普勒频移产生的原理入手,通过运动学理论分析,构建了接收机、反射点与卫星整体运动与多普勒频移误差关系模型。模型分析结果表明:多普勒频移误差与卫星观测向量、反射点切线法向量、接收机运动速度及反射点运动速度有关。最后通过5种不同场景的GPS数据验证了所提模型的正确性。在多路径情况下,当接收机或反射点运动时,可能会导致巨大的测速误差,使得结果不具备可靠性。      

国外天基激光遥感发展研究(下)

3 多普勒激光雷达 □□多普勒激光雷达是利用激光源与被测物因相对运动而产生的多普勒频移进行测量的.当目标远离激光源运动时,返回脉冲波长增长;当目标接近激光源运动时,返回脉冲波长缩短.     

电离层多普勒接收机的设计与实验

利用软件无线电技术设计了一种电离层多普勒接收机. 该接收机采用DSP, FPGA等数字芯片与PXI总线进行架构, 使用GPS作为接收机的时间和频率同 步模块, 能够灵活设置系统参数. 实验接收来自中国蒲城陕西天文台的高 频时间信号, 实时获取由于电离层扰动所产生的多普勒频率偏移信息. 使用通过MATLAB语言实现的信号处理软件平台, 对接收到的高频信号进行处理. 观测结果表明, 接收机能够分析电离层回波信号的多普勒频移随时间的变化, 是获取不同空间尺度电离层扰动信息的一种有效手段.      

导航卫星缘何神通广大?

全球导航卫星系统一般是由多颗卫星组成导航卫星网,只要用户测出与4颗导航卫星之间的距离变化率,并根据导航卫星发出电波的时间、轨道参数,就可以确定自己瞬时所在经纬度位置和速度方向。卫星导航的方法有两种,一种是多普勒测速导航,另一种是时间距离导航,简称时距导航。多普勒测速导航。我们知道,导航卫星上发出的无线电波的频率是不变的,但由于导航卫星在高速运动,相对地面的观测者来说,频率会发生变化(频移)。由远而近时,频率会增高,由近而远时,频率会降低,这与我们站在铁路旁听火车的汽笛声一样,由远而近时,声音越来越尖锐,由近远去时,声音越来越低沉,其实火车汽笛声的频率是不变的,这种现象被科学家称为多普勒效应。     

高动态环境扩频系统伪码延时的精确估计方法

针对在高动态环境直接扩频系统伪码延时测量所遇到的问题,分析了多普勒频移对伪码延时的影响.利用扩展卡尔曼算法(EKF)对高动态直接扩频信号的载波相位和频率进行了估计,并利用载波辅助技术测量载波相位的变化值来校正伪码延时环,减小多普勒频移对伪码延时的影响,得到了精确的延时估计值,提高了伪码延时锁定环的动态跟踪性能.     

~(201)Hg~+离子贮存式频率标准

本文讨论利用在潘宁离子收集器中贮存~201Hg~+离子实现微波频率(和时间)标准以及光频标性能的潜力与存在的问题。有许多讨论一般都适用于离子贮存式频标。激光致冷、光抽运、以及微波或光时钟跃迁的光检测,可利用在194.2nm6P~2P_(1/2)←6~2S_(1/2)跃迁的窄带幅射,而有选择地将基态超精细能级与适当的微波幅射加以混频来完成。特别适用于采用潘宁(冷阴极)离子收集器的一阶独立场微波时钟跃迁是在1.534T 磁场的25.9GHz(F,M_F)=(2,1)←→(1,1)超精细跃迁。在563nm(毫微米)的双量子无多普勒5d~96S~(22)D_(5/2)←→5d~(10)6S~2S_(1/2)迁可能是光频标所要选用的。两种频标的绝对准确度具有达到好于1×10~(-15)而频率稳定度低于10~(-16)的潜力。     

电离层中小尺度扰动的多频多普勒快速探测与分析

电离层反射回波的高频多普勒频移测量是研究电离层扰动的重要方法之一.利用基于单频信号相位变化率测量的实时探测方法,获取连续高精度多频多普勒频高图,以实现中小尺度电离层扰动的快速探测研究.该方法被应用于敏捷式高性能电离层无线电多频探测系统样机平台.经验证在该平台上获取的多普勒频移分辨率可达0.039Hz,频高图探测周期最短小于1min.基于这种快速探测方法和平台在武汉观测站进行了较长时间的观测和数据采集,获得高精度多普勒频移并反演出电子浓度等值面法向运动速度,得到电离层反射寻常波的多普勒频高图和垂直扰动速度等信息,进而推演出电离层扰动随时间和空间的实时变化特征.对这些时域信号进行频谱分析,初步结果显示这些扰动主要是由极区活动激发的中国中部地区冬季出现率较高的中尺度TID.此外,对三种常用的电离层扰动反演分析方法进行了对比研究,结果显示电离层扰动的变化趋势基本一致,说明观测数据和研究方法可靠稳定,为多频多点电离层扰动的传播特性观测研究提供了基础.      

分区式线型阱设计及其离子囚禁性能分析

基于分区式线型阱的汞离子微波钟已在国际上首次实现了空间在轨飞行验证，为今后深空探测技术领域实现单向导航奠定了基础。设计了一种基于“四极阱+十二极阱”的分区式线型离子阱，主要采用离子数密度分布模型，数值分析了轴向和径向的势阱结构特征，研究了该离子阱的离子囚禁性能，给出了囚禁离子的设计参数，估算了该离子阱应用于汞离子微波钟的二阶多普勒频移大小。论证了四极阱中实现光抽运与荧光探测，十二极阱中实现离子与微波相互作用及自由演化稳定存储功能的可行性。该项工作对于高性能离子囚禁钟和质谱仪的设计具有一定借鉴意义。     

一种测量射频脉冲序列稳定性的新方法

本文提出了一种用于射频脉冲序列稳定性测量的新方法——无源正交双通道法,对这种方法进行了全面的理论分析,并初步建立能满足工程应用的微机控制的测量系统。测量系统可用于测量射频范围500MHz～12.4GHz、射频脉冲宽度1～10μs、脉冲重复频率100Hz～10kHz的各种发射机。频率起伏测量精度与分辨度分别为2%和100Hz,测频灵敏度为250Hz,测幅分辨度为0.1%。     

高精度多普勒频高图的获取和分析

电离层高频反射回波的多普勒频移是研究电离层扰动的一个重要参数。在数字测高仪探测中，高分辩率的多普勒频移一般在漂移测量中获得，但这种测量方式探测的频点少，不能获得扰动的高度剖面；而在频高图模式下，虽然工作的频点多，能够获得电子浓度的高度剖面的信息，但探测的多普勒频移的分辩率低，无法用来精确检测电离层扰动。实际的电离层高频回波一般为窄带信号，由此本文中提出了一种新的分析方法，利用DGS-256数字测高仪频高图模式下记录的16个多普勒通道的数据，通过反傅里叶变换还原成时域信号，采用最小二乘法估计相邻时间点的相位差，获得高精度多普勒频高图。作为实例，利用该方法分析武汉电离层观象台数字测高仪观测站的观测数据，得到了多频点的多普勒频移曲线。结果表明：在DGS-256数字测高仪频高图模式下能够得到高精度多普勒频高图，这在电离层扰动探测和研究中很在意义。     

典型电离层多普勒记录及其讨论

由于地面电离层多普勒频率偏移测量具有时间连续、设备相对简便等固有特征，它特别适合于扰监测。本文在整理北京大学电离层高频多普勒台站观测资料的基础上，给出了一些典型电离层多普勒效应观测现象，这些现象反映了多普勒的细致分析对电离层形态学研究有其特殊意义。利用IRI模型，对多普勒频移的太阳耀斑效应及电离层不规则结构对多普勒频移的影响进行了模拟计算，理论结果与观测基本一致，从而大体上解释了这些响应的物理机制。论文最后对观测到的一种特殊的记录类型－－S型描迹的具体成因作了详细的分析和讨论，指出在一定条件下，以一定相位速度水平传播的声重波可以产生这类记录，给出了相位速度和振幅等声重波参数与记录描迹形状的关系，这对从多普勒频移记录推演电离层中的波动特征有一定的帮助。     

短光纤延时自外差法测量窄线宽激光器线宽

从理论上分析推导了移频延时自外差法测量激光器线宽的基本原理,并采用延时自外差法数学模型,编写了仿真程序.借助此分析结果,通过对两台已知线宽的窄线宽激光器的实际测量数据,与仿真结果对比,验证了模型的正确性.在此基础上,提出了短光纤延时自外差法,采用该方法可以在延时光纤长度远小于6倍的激光器相干长度时,消除延时自外差法因为延时时间不够导致测量精度的大幅度下降这一缺陷,为工程上实现精确测量窄线宽激光器线宽提供了行之有效的方法.      

窄线宽单频单偏振环行腔掺铒光纤激光器

为了获得稳定的窄线宽单频单偏振掺铒光纤激光器输出,对采用饱和吸收体的环行腔结构掺铒光纤激光器进行了研究.实验中采用未抽运掺铒光纤作为饱和吸收体形成窄带滤波器,并选用高反射率的光纤光栅作为波长选择元件,同时采用具有高消光比的保偏环行器来获得单偏振激光.窄线宽单频单偏振环行腔掺铒光纤激光器的峰值波长可以通过拉伸光纤光栅进行调谐,调谐的范围为1548~1552nm.当抽运功率为275mW时获得的输出最大功率55.4mW.通过采用光纤延迟自外差法的线宽测试技术测量出该环行腔掺铒光纤激光器的20dB线宽为3kHz,光纤激光器的输出光偏振态长时间稳定在偏振度99.9%.这种窄线宽单频单偏振掺铒光纤激光器可以作为相干激光雷达的稳定信号源.      

卫星扩频应答机的伪码快捕方法

在低地球轨道通信系统中,由于系统的高动态,使扩频应答机接收的信号附加了几十千赫兹的多普勒频移,传统的伪码捕获方法很难完成捕获.对此提出了一种部分相关和FFT(Fast Fourier Transform)相结合的捕获方法,利用FFT补偿多普勒造成的相关峰损失,在搜索码相位的同时得到多普勒频移的估计,减少了捕获时间.给出了捕获系统的结构,分析了FFT对相关峰的补偿性能,给出了部分相关和FFT的参数设计方法,使用了自适应门限技术,以满足输入信号载噪比大幅变化的情况下实现伪码的捕获判决.理论分析和仿真结果表明:该方法可以在高多普勒频移和低载噪比环境下实现伪码的快速捕获,比其他快捕方法占用更少的FPGA(Field Programmable Gate Arrays)资源.     

TEC计算方法探讨和赤道异常北驼峰时空特征测量初析

本文探讨了应用最小曲率原理由单站微分多普勒频移数据计算TEC时所遇到的问题和解决办法。处理了用MX1502大地定位接收机于1989年8月和9月先后在陕西临潼和北京观测的NNSS卫星多普勒频移数据,得到了TEC时空分布曲线。分析这些曲线,得到了TEC赤道异常北驼峰时空特征在太阳活动高年(尤其是8月中旬太阳特大质子事件中)的某些结果。     

环月-地面激光通信链路运动特性分析与设计

为了实现中国环月飞行器与地面站之间的高速激光通信，建立了环月-地面激光通信链路运动特性模型并进行了仿真分析。结果表明：利用地面站与环月飞行终端分别构建月地直接信息传输链路和月地中继信息传输链路时，喀什站的两种链路总可见时间比阿根廷站分别增加了约4.5%和6.5%,因此选取喀什站更有利于月地激光通信链路的构建；对于环月终端，其转动机构方位角范围-180°～+180°,俯仰角范围-19°～+89.7°,其最大提前指向角达18.2μrad;该月地激光链路的SEP(sun-earth-probe)角和SPE(sun-probe-earth)角近似呈周期性变化，每隔约15天出现一次最小值，因此激光终端设计时须考虑抗日光干扰；对于1 550 nm激光载波的多普勒频移量为±1.28 GHz,多普勒频移变化率达1 MHz/s,因此激光通信体制的选择须考虑多普勒频移变化特性。根据链路仿真结果和功率预算给出了环月-地面激光通信链路的设计建议。研究结果可以为环月-地面激光通信链路的设计提供参考。     

汞离子微波钟技术研究进展

汞离子微波钟利用四极线型阱实现离子囚禁，通过汞光谱灯完成汞离子态的制备，易于集成和小型化；通过离子阱和汞光谱灯及其光路等关键组件优化设计，使汞光谱灯发出的抽运光与离子阱囚禁的离子充分作用，完成态的制备；40.5 GHz微波通过喇叭发射至离子阱中心，完成离子数反转；利用弱荧光信号探测系统完成汞离子超精细能级跃迁谱线的探测，实测跃迁谱线线宽约1 Hz;通过伺服控制环路完成汞离子微波钟的闭环锁定，经实验测试，频率稳定度可达■。     

汞离子微波钟技术研究进展

汞离子微波钟利用四极线型阱实现离子囚禁，通过汞光谱灯完成汞离子态的制备，易于集成和小型化；通过离子阱和汞光谱灯及其光路等关键组件优化设计，使汞光谱灯发出的抽运光与离子阱囚禁的离子充分作用，完成态的制备；40.5 GHz微波通过喇叭发射至离子阱中心，完成离子数反转；利用弱荧光信号探测系统完成汞离子超精细能级跃迁谱线的探测，实测跃迁谱线线宽约1 Hz;通过伺服控制环路完成汞离子微波钟的闭环锁定，经实验测试，频率稳定度可达■。     

“嫦娥4号”中继星开环测速方案设计与试验验证

针对深空探测器轨道测量任务高精度测速需求,提出了一种开环测速方案。首先,采用窄带模式对深空探测器下行信号进行采集记录,利用傅里叶变换+线性调频Z变换+本地重构相关联合信号处理方法,对探测器主载波信号进行处理,自适应提取探测器主载波频率;然后,基于主载波频率获取反映探测器相对于测站速度运动关系的多普勒频率,并评估多普勒频率的随机噪声水平;最后,将基于本文的多普勒频率与深空站测速基带多普勒频率、累积载波相位测速多普勒频率进行比对,并将3种多普勒频率输入探测器联合定轨程序,进一步评估本方案获取的多普勒测速绝对精度。基于"嫦娥4号"中继星在轨实测试验数据分析表明:所获得的多普勒频率提取精度为10 m Hz,优于深空站基带测速多普勒频率与累积载波相位测速多普勒频率精度;联合定轨表明:多普勒测速绝对精度为0.2 mm/s,有效验证了深空开环测速技术,为后续深空探测器轨道联合测量系统研制奠定了技术基础。