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@10⁴s，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。     

利用小波方差进行原子钟频率稳定度的估计

离散小波变换可以在不同尺度上分解时间序列,而不同尺度的波动性可用小波方差来表征。从小波方差的定义入手,系统地归纳了基于极大重叠离散小波变换（MODWT）的小波方差估计方法,及其等效自由度（EDF）的实用计算方法。最后利用一个实测算例进行计算分析,并与相应的重叠阿伦方差、重叠哈达玛方差进行比较,通过实验分析可以看出小波方差可有效消除原子钟信号非线性和非平稳性的影响,通过选择适当的小波基函数,如D4、D6小波,其方差可以像哈达玛方差一样,减少调频闪变噪声和调频随机游走噪声的泄露,适用于原子钟频率稳定度的表征。     

量热技术在铷光谱灯中的应用研究

铷光谱灯是铷原子钟的核心部件。在铷光谱灯的研制中差式扫描量热技术（DSC）是不可或缺的测量手段和研究方法之一。本文通过对长期老化跟踪测量的铷量消耗数据拟合,得到了目前使用的铷灯的铷量消耗模型。分析结果显示：铷与灯泡内的杂质反应消耗了约37.5μg金属铷,铷的消耗率稳定在0.23μg/hr,预计10年使用寿命期内铷的消耗量约106μg。铷熔融曲线的熔点和纯度测量结果显示：铷的熔点和纯度在老化开始前2个月变化明显,具有较好的相关性。老化6个月以后铷的熔点和纯度从老化开始前的36℃和99.56％提高到39.5℃和99.84％,并趋于稳定,其变化趋势与老化初期铷量的消耗规律较好地吻合。     

基于双因素方差分析的混响室搅拌器优化研究

针对混响室搅拌器的优化问题,建立了混响室仿真模型,分析了搅拌器叶片不同夹角和不同边长比对混响室场均匀性的影响,得到了叶片较优夹角和较优边长比。通过对仿真数据进行双因素方差分析,得到搅拌器叶片夹角和边长比对场均匀性影响的权重关系。该结论为混响室搅拌器的优化设计提供了指导依据。     

频率稳定度与守时钟组配置关系研究CSCD

通过对中小型守时实验室对时间尺度稳定度的需求分析,以目前主流守时钟5071A为例,利用国际权度局公布的原子钟数据,研究不同钟组配置与时间尺度稳定度的关系,为中小时间实验室守时钟组的优化配置提供参考依据;权重确定是原子时算法的关键之一,通过对不同数量、不同取权规则的原子时计算结果进行统计分析与比较,提出中小时间实验室原子时尺度算法中的取权原则。     

星载铷原子钟物理部分热设计

星载铷原子钟物理部分作为星载铷原子钟的重要组成部分,其热设计在很大程度上决定了星载铷原子钟的性能与使用寿命。应用Flotherm软件对铷原子钟物理部分进行建模、仿真求解,对热设计进行优化,满足了星载铷原子钟物理部分设计要求。     

IIR滤波器在芯片原子钟中的应用

芯片原子钟是具有小体积,低功耗特点的原子钟。本文采用了IIR滤波器方案对芯片原子钟物理系统输出信号进行处理,该方案有利于减小芯片原子钟的体积、提高芯片原子钟短期频率稳定度。实验结果表明,与FIR滤波方案相比,IIR滤波器使用的FPGA资源减小了约58%;与现有模拟滤波方案相比,使用IIR滤波器方案的芯片原子钟频率稳定度提高了1.4×10~(-10)τ~(-1/2)(τ=1s-100s),电路面积减小了10%。     

星载原子钟在轨剩余寿命预测方法研究

原子钟是导航卫星最关键载荷之一, 开展原子钟健康状态评估与寿命预测相关工作, 对于及时掌握原子钟性能和运行状况, 确保卫星导航系统提供高可用性连续性完好性的服务, 具有重要意义。结合星载原子钟在轨失效特性分析, 提出了一种综合考虑原子钟随机失效与耗损失效的剩余寿命预测方法。该方法融合利用原子钟寿命周期内产生的多源多维数据, 通过概率统计和机器学习的途径实现原子钟的剩余寿命预测。经案例验证, 所提方法合理有效, 具有一定的工程应用价值。      

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。     

原子钟和空间实验

描述了高稳定性原子钟目前的进展水平、原子钟性能对空间实验测量的意义，并对应用原子钟的一些空间实验，特别是现在技术上能实现的一些空间载钟的科学实验进行了介绍。     

两种方差在铷原子频标长稳测量中的比较分析

人们通常用阿仑方差 (AllanVariance)来表征原子频标的频率稳定度。在国外 ,测量铷原子频标长期频率稳定度时 ,除采用阿仑方差外 ,也通常运用哈达玛方差 (HadamardVariance)进行表征。本文简要介绍了哈达玛方差和阿仑方差 ,以及两种方差在铷原子频标日频率稳定度测试中的具体应用 ,并对测量结果进行了比较分析。     

原子钟调相白噪声降噪方法

原子钟的五种噪声反映了它在一定时间间隔内的性能。当取样间隔小于1h，原子钟主要表现为调相白噪声。在地方协调时UTC（NTSC）的实时监控中，不仅要求参考原子时（RTA，用于地方协调时控制的参考）具有很高的长期稳定度，而且要求其短期稳定度亦很高。影响RTA短期稳定度的主要是个台原子钟的调相白噪声。首先讨论了确定原子钟短期噪声的方法，进而利用小波分析方法研究了原子钟凋相白噪声分离与降噪的方法。     

我国早期原子钟研制历程回顾

“2019全国时间频率学术会议”是由四个专业委员会联合每两年举办一次的20周年纪念会。20年来，我国原子钟事业已有长足发展，成为世界上原子钟研制与开发的大国。但总体上说，我们的工作还是以跟随为主，真正属于自主创新的较少。不改变这种局面，我们还难以成为独立自主的时间频率强国，为国家经济和国防建设作出应有贡献。本文回顾了我国原子钟研发的情况，提到一些从基础研究上属于原始创新的案例。阐述了这些案例是在简陋的实验条件下依靠对原子钟内各类实验现象进行深入的物理分析基础上出现的。同时，也指出了在比较粗糙的工艺条件下实现精细的技术指标中能工巧匠所起的特殊作用。文章也约略提到国内各单位间无私协作的崇高精神。本文将讲述一些故事，并就原子钟产业的问题表示一点看法。中国要实现“强国梦”，阻力和困难还很多很艰巨，我们必须拥有丰富的原始创新来加以克服。为此，坚韧的奋斗钻研精神和传统仍不失借鉴与继承意义。     

微小空间碎片与原子氧协同效应研究

利用等离子体驱动微小碎片加速器和潘宁源的原子氧模拟装置在中国首次开展了微小碎片撞击与原子氧协同作用对Kapton膜和镀铝Kapton膜的侵蚀效应研究. 实验结果表明, 碎片撞击能明显加剧原子氧对Kapton和镀铝Kapton膜的侵蚀效应, 对航天器的寿命及可靠性构成威胁, 制约中国长寿命高可靠性航天器的发展.      

镱原子二级冷却的实验研究

介绍了镱原子光钟中的二级冷却实验过程。在一级冷却的基础上,将冷镱原子成功转移至555.8nm磁光阱中。用时间飞行法测量174Yb超冷原子的温度约为100μK,171Yb超冷原子的温度约为30μK。     

原子氧及紫外线对O形圈泄漏率影响的研究

运用地面模拟设备对硅橡胶材料O形圈进行了原子氧暴露、紫外线辐射实验研究；利用测压法进行了O形圈在原子氧暴露及紫外线辐射前后的泄漏率比对实验，并对实验前后O形圈进行了扫描电镜分析。实验表明：原子氧和紫外线辐射对O形圈的表面状况及泄漏率均有明显影响。     

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。     

长河二号授时监测接收机设计与实现

长波授时系统是目前国际上授时精度较高的大型地基无线电授时服务系统，其授时信号采用罗兰C信号发播体制，具有作用距离远、稳定性好、可靠性高、抗干扰能力强等优点。针对GNSS信号在某些特定区域易被干扰、易失锁的问题，设计并实现了一种长河二号授时监测接收机，采用信号完好性检测、ASF（附加二次相位因子）时延修正等技术，实现了高精度、高可靠长波授时与时差监测，可作为GNSS授时的重要补充手段。     

基于Push-Push结构的倍频器在铷原子频标中的应用

铷原子频标是各种原子频标中发展最为活跃的 ,由于其独特的外在及内在的特点 ,使其在商业通信、空间导航等领域得到最为广泛的应用。在铷原子频标中 ,倍频电路是影响整个系统长期稳定性的重要因素之一。简要介绍了Push -Push结构的基本原理 ,并且给出了基于Push -Push结构的倍频器的具体实现电路与仿真结果。仿真实验结果表明 ,该种结构设计对改善电路的相位噪声是有十分有效的。最后分析了影响幅度调制噪声与相位调制噪声的因素 ,对上述电路做了进一步的完善。