磁选态铯原子钟弱信号直接采样方法研究

磁选态铯原子钟的输出频率与铯束管输出的弱电流信号有关，影响其频率稳定度。为了提高其频率稳定度技术指标，在对磁选态铯原子钟主伺服电路弱信号压频转换（V-F）和模/数 (A/D)直接采样对比的基础上，设计了基于DSP28335芯片的A/D直接采样电路，利用CAN总线通信技术与主控CPU板进行通信，实现整钟闭环锁定的方案。通过试验与被测磁选态铯原子钟现有压频转换法进行对比，结果表明，所设计的A/D直接采样法较压频转换法减小了磁选态铯原子钟相对频率偏差范围，改善了短期频率稳定度，具有实用价值。     

芯片级原子钟数字温控系统设计

随着美国国防部先进项目研究局(Defence Advanced Research Projects Agency,DARPA)对微型定位导航授时技术的提出以及无人驾驶技术的发展,芯片级原子钟的市场越来越受到重视。稳定度是衡量芯片级原子钟性能的关键指标,而温度又是影响芯片级原子钟稳定度指标的重要因素,因此高精度的温控系统是芯片级原子钟稳定度的保障。设计了一种高精度的数字温度控制系统,控温精度为2m K。经过对比测试,使用该系统的芯片级原子钟稳定度较以前有了较大的改善,千秒稳定度从7.57×10~(-12)提高到4.99×10~(-12),处于世界先进水平。     

一种芯片原子钟专用锁相倍频器研究与设计实现

分析了倍频器对芯片原子钟稳定度指标的影响,并以此提出了对倍频器的设计要求。介绍了国内外几种典型的原子钟倍频器,提出了一种基于撞-D调制的芯片原子钟专用锁相倍频器方案,并采用分离器件对该方案进行了验证,实现了与传统铷钟物理系统的闭环锁定,铷原子频标稳定度指标达4.7E-12/s,能满足原子钟的研制需求。基于该方案开展了倍频器芯片的设计和流片,实现了3.4GHz的芯片原子钟专用芯片,与物理系统进行联调锁定后稳定度指标达5.5E-11/s,表明该芯片可满足芯片原子钟的设计要求。     

振荡式小型氢脉泽的特性

本文对CHYMNS-Ⅰ型和CHYMNS-Ⅱ振荡式小型氢脉泽和它们的稳定度性能作了说明。两种脉泽的工作原理完全相同,但体积和重量相差很大。它们可以采用小型化腔体结构。由稳定性数据能够判断,当脉泽体积减小时,性能有所下降。CHYMNS-Ⅰ型的腔体尺寸是15厘米(外径)×15厘米(长),τ=100秒时,测出的根值阿仑方差σ_y(τ)=6.6×10~(-14)。CHYMNS-Ⅱ型的体积较小,相应的数据是11厘米(外径)×15厘米(长),τ=100秒时,σ_y(τ)=1.3×10~(-13)。从使用观点看,优先考虑的是它的长期稳定性。两个小型脉泽直接比对测出的数据是:τ=10~5秒时,σ_y(τ)=4×10~(-15)。这一测试结果说明,用电子的方法稳定腔体,对克服环境扰动的影响是卓有成效的,从而保证脉泽的频率输出长期稳定。     

基于相干极化调制的小型化CPT原子钟进展

基于相干布局囚禁(Coherent Population Trapping)的被动型气泡原子钟,因其优良的短稳2E-13@1s和中期稳定度2.5E-15@10~4s,而成为高性能原子钟的有力竞争者。本文基于一种新构型来探索实现高性能小型化CPT原子钟。我们通过3.4GHz微波直接调制分布式布拉格反射(DBR)激光器产生相干双色光,同时在微波和激光光束上分别施加同步的相位调制和偏振调制,实现相干极化调制,获得了较高对比度(14.7%)和较窄线宽(416Hz)的CPT共振信号。该方案采用直接调制技术使原子钟系统体积、复杂性和环境敏感性都得到减小,这使得高性能CPT原子钟的小型化成为可能。     

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)。     

AlGaAs激光器的频率稳定

本文主要报道AlGaAs激光器谱线宽度的测定及频率稳定方面现已完成的工作,并相应说明其有关的应用。实验证明,谱线宽度可以减窄至1MHz。曾采用法布里一珀罗(Fabry-Perot)干涉仪,水及铷~(85)吸收谱线作为参考标准,以改善长期(τ≥ls)频率稳定度,相应所达到的阿仑方差σ~2方根值的最小值分别为:2.0×10~(-11),1.1×10~(11)和1.4×10~(-12)(在τ=100s时)。采用外光栅的激光器,最佳σ为3.2×10~(-12)(在τ=100s时)。经多项试验已完成了改进短期频率稳定度(τ相似文献   

小型CPT原子钟的数字电路优化研究CSCD

CPT原子钟是一种体积小、功耗低、指标优的新型原子钟。本文对小型CPT原子钟数字滤波算法开展优化研究,采用CIC滤波器前端滤波,低阶FIR滤波器后端滤波。新滤波模块在保证相同的噪声抑制比的情况下,节约逻辑资源,降低整钟功耗。基于以上方案实现的滤波模块,获得了55d B的滤波效果,同时节省了约42%的FPGA逻辑资源。     

小型CPT原子钟的数字电路优化研究

CPT原子钟是一种体积小、功耗低、指标优的新型原子钟。本文对小型CPT原子钟数字滤波算法开展优化研究,采用CIC滤波器前端滤波,低阶FIR滤波器后端滤波。新滤波模块在保证相同的噪声抑制比的情况下,节约逻辑资源,降低整钟功耗。基于以上方案实现的滤波模块,获得了55dB的滤波效果,同时节省了约42%的FPGA逻辑资源。     

原子钟频率稳定度测试中的噪声处理

原子钟的测量噪声会被引入到频率稳定度评估过程,尤其是对中短期频率稳定度的影响更大。重叠Allan方差可以克服调频闪变噪声和调频随机游走噪声随时间变化出现的非平稳问题,但由于受到测量噪声的影响,评估结果仍会出现误差。为此,本文通过对原子钟的数学模型和噪声特性进行分析,提出了原子钟频率稳定度评估的加窗平滑噪声处理方法,通过对时差观测序列合理的加窗设计和平滑处理,抑制测量噪声对评估结果的影响。实验结果表明,利用铷钟观测序列的100点平滑可以有效地提高短期频率稳定度结果（100~1 000）s的可信度。     

基于掺铒超荧光光纤光源的高精度光纤陀螺

针对高精度光纤陀螺的需求,采用一种在1?550?nm波段长波反射的截止型薄膜滤波器研制出高性能的掺铒超荧光光纤光源,通过仿真确定了滤波器的特征参数,在-40℃~+60℃的温度范围内,光源中心波长稳定性为2.58×10^-6℃,输出功率稳定性优于1％.研究了这种光源的强度噪声,并采用一种噪声相减技术对光纤陀螺的噪声进行抑制,光纤陀螺的随机游走系数减小约20％.在此基础上,研制出高精度闭环全保偏光纤陀螺样机.Allan方差分析显示,研制出的样机零漂为0.004?5(°)/h、随机游走系数为0.003?5(°)/h ^{1 2} 、标度因素误差小于11×10^-6,已能满足高精度陆用惯性系统的要求.     

Low-cost precise measurement of oscillator frequency instability based on GNSS carrier observation

Global navigation satellite systems (GNSS) receivers can be used in time and frequency metrology by exploiting stable GNSS time scales. This paper proposes a low-cost method for precise measurement of oscillator frequency instability using a single-frequency software GNSS receiver. The only required hardware is a common radio frequency (RF) data collection device driven by the oscillator under test (OUT). The receiver solves the oscillator frequency error in high time resolution using the carrier Doppler observation and the broadcast ephemeris from one of the available satellites employing the onboard reference atomic frequency standard that is more stable than the OUT. Considering the non-stable and non-Gaussian properties of the frequency error measurement, an unbiased finite impulse response (FIR) filter is employed to obtain robust estimation and filter out measurement noise. The effects of different filter orders and convolution lengths are further discussed. The frequency error of an oven controlled oscillator (OCXO) is measured using live Beidou-2/Compass signals. The results are compared with the synchronous measurement using a specialized phase comparator with the standard coordinated universal time (UTC) signal from the master clock H226 in the national time service center (NTSC) of China as its reference. The Allan deviation (ADEV) estimates using the two methods have a 99.9% correlation coefficient and a 0.6% mean relative difference over 1–1000 s intervals. The experiment demonstrates the effectiveness and high precision of the software receiver method.     

CPT原子钟微波信号的设计和分析

根据被动型相干布居囚禁原子钟对微波信号的要求,利用小数分频锁相环技术实现了微波频率综合,并通过优化环路带宽得到最佳的输出相噪。测试结果表明:3 417 MHz微波输出在100 Hz处的相位噪声达到-80 dBc;中心频率±50 kHz范围内的杂散抑制达到54 dB,都接近于理论值。将产生的微波用于所研制的CPT原子钟,获得频率稳定度达到1 000 s内6×10-11-1/2,为目前国外商品钟水平。     

Quality variation of GPS satellite clocks on-orbit using IGS clock products

Over 60% clocks on board of the GPS satellites are working longer than their designed life. Therefore realizing their stabilities in a long time scales is essential to GPS navigation and positioning plus IGS time scale maintaining. IGS clock products from 2001 to 2010 are used to analyze the GPS satellite clock qualities such as frequency stabilities and clock noise level. We find out that for the clocks of Block IIA satellites the frequency stabilities and clock noise are 10 times worse than that of the Block IIR and IIR-M satellites. Moreover, the linear relationships between frequency stabilities and clock residuals have been deduced with an accuracy of better than 0.02 ns. Specially, it is noticed that the clock of the PRN27 is instable and the relationship between the frequency stability and residuals is at least a quadratic curve. Therefore, we suggested that GPS satellite clocks should be weighted by their quality levels in application, and the observations of the Block IIA should not be used for real-time positioning which required precision better than one meter.     

HORACE: A compact cold atom clock for Galileo

HORACE (HOrloge à Refroidissement d’Atomes en Cellule = clock based on atoms cooled from vapour cell) is a compact cold caesium atom clock developed in SYRTE at Paris Observatory. This clock can operate both on ground and in microgravity environment. Design of HORACE is based on isotropic light cooling, allowing performing the whole clock sequence (cooling, atomic preparation, Ramsey interrogation and detection) at the same place. Compared to more conventional cold atom clocks such as atomic fountains, the use of isotropic light cooling simplifies both the optical part of the setup and the detection sequence, and leads to a drastic size reduction of the physics package. Very good short-term performances have been demonstrated at SYRTE since relative frequency instability of 2.2 × 10⁻¹³ τ^−1/2 has been obtained. Optimization of the long term stability is still under progress and current results show relative frequency instability around 3 × 10⁻¹⁵ in 10⁴ s of integration. With these performances, HORACE appears as a good candidate both for Galileo’s ground segment clock and for onboard Galileo clock.     

基于Hadamard方差的导航星座自主时间同步算法研究

文章在总结国内外研究成果基础上,针对GPS铷钟虽然短期稳定性较好,但采用Allan方差描述铷钟频率稳定性时,其钟差状态方程仅为两参数,在较长平滑时间里存在时钟漂移和甚低频噪声的影响,使噪声特性淹没或估值不收敛的缺陷,引入Hadamard方差建立了三参数系统状态误差模型,通过三次采样方差从模型上解决了线形漂移和甚低频噪声的影响问题。在时钟系统状态模型和星间双向测量方程建模基础上,给出了工程实用的标准Kalman基本滤波方程。数值分析仿真表明,采用Hadamard方差描述时钟频率稳定性显著提高星载时钟自主同步精度,从而克服了Allan方差描述产生的频率漂移影响较大和甚低频噪声不收敛的问题。