专利名称：一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法和装置。
背景技术：
原子频标的长期稳定度是衡量原子频标性能的一个重要指标，其主要受原子频标的长期漂移特性的影响。由于目前没有物理模型对长期漂移的原因进行解释，因此，在测量和改进原子频标的长期稳定度时，必须设计大量的参数优化实验，以选出原子频标的长期稳定度最佳工作参数点。其中，影响长期稳定度的系统参数众多，包括灯温、腔温、微波功率等，所以选取所有相关参数进行全面的参数优化实验，在实际操作中基本上是不可能的。传统的参数优化实验通常是对系统参数逐个优化。首先，优化第一个系统参数固定其余系统参数的值，对该第一个系统参数进行调节，测量原子频标的频率信号输出的稳定度，选择稳定度最高时的值作为该第一个系统参数的最优值；然后优化第二个系统参数将已优化的系统参数固定在其最优值，并固定其余未优化的系统参数的值，获取该第二个系统参数的最优值；重复前述步骤，直至获得所有系统参数的最优值，所有系统参数的最优值的组合即为前述原子频标的最佳工作参数点。具体地，以灯温、腔温为例，首先，先将腔温固定，调节灯温，获取灯温的最优值；然后，将灯温固定在该最优参数点，调节腔温，获取腔温的最优值；最后，将灯温和腔温的最优值的组合作为原子频标的最佳工作参数点。在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题改变前述系统参数优化的顺序，如预先固定灯温而不是腔温，会产生另外的最佳工作参数点。这是由于传统的参数优化实验是采取预先固定某些系统参数的方法，忽略了各系统参数之间存在交互作用的影响，导致最终得到的最佳工作参数点不准确，进而限制了原子频标的长期稳定度的进一步提高。
发明内容
为了提高原子频标的长期稳定度，本发明实施例提供了一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法和装置。所述技术方案如下—种原子频标的长期稳定度参数优化的方法，所述方法包括设置多个工作参数点；每个所述工作参数点包括多个实验点且每个实验点对应不同的待优化参数，每个所述待优化参数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化参数相对应的实验点均匀分布在所述待优化参数的取值范围内且包括所述取值范围的两端点，每两个所述工作参数点中最多只有一个实验点相同，且各个所述实验点在所有所述工作参数点中出现的次数相等；所述待优化参数包括灯温、腔温和C场电流；根据各所述工作参数点分别调节所述原子频标的灯温、腔温和C场电流；测量各所述工作参数点对应的原子频标的输出频率与标准时钟源的频率差，并根据所述频率差选择最佳工作参数点。其中，所述灯温的取值范围为120°C 130°C，所述腔温的取值范围为60°C 70°C，所述C场电流的取值范围为ImA 2mA。其中，所述方法还包括对所述最佳工作参数点中对应灯温的实验点进行微调，并保持所述最佳工作参数点中的其余实验点不变；测量微调后所述原子频标输出频率与标准时钟源的频率差，并根据所述频率差确定所述最佳工作参数点中对应灯温的最优实验点。其中，所述对所述最佳工作参数点中对应灯温的实验点进行微调中，微调的范围为当前所述最佳工作参数点中对应灯温的实验点前后各0.5°C，每次调节的调节量为
0.1℃。
一种原子频标的长期稳定度参数优化的装置，其特征在于，所述装置包括设置模块，用于设置多个工作参数点；每个所述工作参数点包括多个实验点且每个实验点对应不同的待优化参数，每个所述待优化参数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化参数相对应的实验点均匀分布在所述待优化参数的取值范围内且包括所述取值范围的两端点，每两个所述工作参数点中最多只有一个实验点相同，且各个所述实验点在所有所述工作参数点中出现的次数相等；所述待优化参数包括灯温、腔温和 C场电流；灯温调节模块，用于根据各所述工作参数点中对应灯温的实验点，调节原子频标的物理系统中光谱灯的温度；腔温调节模块，用于根据各所述工作参数点中对应腔温的实验点，调节所述物理系统中微波腔的温度；C场电流调节模块，用于根据各所述工作参数点中对应C场电流的实验点，调节所述物理系统中C场线圈的通电电流大小；测量模块，用于测量各所述工作参数点对应的原子频标的输出频率与标准时钟源的频率差，并根据所述频率差选择最佳工作参数点；其中，所述设置模块分别与所述灯温调节模块、所述腔温调节模块、所述C场电流调节模块和所述测量模块相连；所述灯温调节模块与所述光谱灯相连；所述腔温调节模块与所述微波腔相连；所述C场电流调节模块与所述C场线圈相连；所述测量模块与所述原子频标的隔离放大器相连。其中，所述灯温调节模块还用于，对所述最佳工作参数点中对应灯温的实验点进行微调；相应地，所述测量模块还用于，测量微调后所述原子频标输出频率与标准时钟源的频率差，并根据所述频率差确定所述最佳工作参数点中对应灯温的最优实验点。其中，所述灯温调节模块具体包括第一加热单元，用于为所述原子频标的光谱灯加热；第一电桥单元，用于测量所述光谱灯的温度并将测得的温度转换为电压值；第一差分放大单兀，用于将所述电桥单兀输出的电压值差分放大；
第一模数转换单元，用于采集所述差分放大单元输出的电压值并转换为数字信号;第一处理单元，用于根据所述模数转换单元转换的数字信号控制所述加热单元是否工作；其中，所述第一加热单元与所述第一处理单元相连；所述第一电桥单元分别与所述第一差分放大单元和所述第一处理单元相连；所述第一差分放大单元与所述第一模数转换单元相连；所述第一模数转换单元与所述第一处理单元相连。其中，所述腔温调节模块具体包括第二加热单元，用于为所述原子频标的微波腔加热；第二电桥单元，用于测量所述微波腔的温度并将测得的温度转换为电压值；第二差分放大单元，用于将所述电桥单元输出的电压值差分放大；第二模数转换单元，用于采集所述差分放大单元输出的电压值并转换为数字信号;第二处理单元，用于根据所述模数转换单元转换的数字信号控制所述加热单元是否工作；其中，所述第二加热单元与所述第二处理单元相连；所述第二电桥单元分别与所述第二差分放大单元和所述第二处理单元相连；所述第二差分放大单元与所述第二模数转换单元相连；所述第二模数转换单元与所述第二处理单元相连。其中，所述第一电桥单元或第二电桥单元具体包括热敏电阻、第一恒温电阻、数字电位计、第二恒温电阻、以及直流电压基准；其中，所述热敏电阻第一端与所述第一恒温电阻第二端相连，所述第一恒温电阻的第一端与所述数字电位计的第二端相连，所述数字电位计的第一端与所述第二恒温电阻的第二端相连，所述第二恒温电阻的第一端与所述热敏电阻的第二端相连，所述直流电压基准位于所述热敏电阻和所述第二恒温电阻的连接点、所述第一恒温电阻和所述数字电位计的连接点之间。其中，所述第一处理单元或第二处理单元为单片机。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过设置工作参数点，并使得工作参数点中对应的待优化参数的实验点在待优化参数的取值范围内分布均匀；根据各工作参数点分别调节原子频标的灯温、腔温和C场电流；测量各工作参数点对应的原子频标的输出频率与标准时钟源的频率差，并根据频率差选择最佳工作参数点；能够解决现有的参数优化实验中系统参数之间存在交互作用的问题，使通过参数优化实验得到的最佳工作参数点更加准确，提高了原子频标的长期稳定度。
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图I是本发明实施例I中提供的一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法的流程图；图2是本发明实施例2中提供的一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法的流程图；图3是本发明实施例2中提供的工作参数点分布的示意图；图4是本发明实施例2中提供的灯温与频率差的测试曲线图；图5是本发明实施例3中提供的一种原子频标的长期稳定度参数优化的装置的示意图；图6是本发明实施例4中提供的一种原子频标的长期稳定度参数优化的装置的示意图；图7是本发明实施例4中提供的第一电桥单元的示意图；图8是本发明实施例4中提供的C场电流调节模块的工作示意图。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。实施例I参见图1，本发明实施例I提供了一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法，具体包括101 :设置多个工作参数点；每个工作参数点包括多个实验点且每个实验点对应不同的待优化参数，每个待优化参数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化参数相对应的实验点均匀分布在待优化参数的取值范围内且包括取值范围的两端点，每两个工作参数点中最多只有一个实验点相同，且各个实验点在所有工作参数点中出现的次数相等；该待优化参数包括灯温、腔温和C场电流。其中，灯温的取值范围为120°C 130°C，腔温的取值范围为60°C 70°C，C场电流的取值范围为lmA-2mA。102 :根据各工作参数点分别调节原子频标的灯温、腔温和C场电流。103 :测量各工作参数点对应的原子频标的输出频率与标准时钟源的频率差，并根据频率差选择最佳工作参数点。本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是通过设置工作参数点，并使得工作参数点中对应的待优化参数的实验点在待优化参数的取值范围内分布均匀；根据各工作参数点分别调节原子频标的灯温、腔温和C场电流；测量各工作参数点对应的原子频标的输出频率与标准时钟源的频率差，并根据频率差选择最佳工作参数点；能够解决现有的参数优化实验中系统参数之间存在交互作用的问题，使通过参数优化实验得到的最佳工作参数点更加准确，提高了原子频标的长期稳定度。实施例2参见图2，本发明实施例2提供了一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法，该方法包括201 :设置多个工作参数点；每个工作参数点包括多个实验点且每个实验点对应不同的待优化参数，每个待优化参数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化参数相对应的实验点均匀分布在待优化参数的取值范围内且包括取值范围的两端点，每两个工作参数点中最多只有一个实验点相同，且各个实验点在所有工作参数点中出现的次数相等；该待优化参数包括灯温、腔温和C场电流。具体地，该步骤可以分为以下三步第一步确定待优化参数及各待优化参数的取值范围。如表I所示，在本实施例中，该待优化参数包括灯温、腔温和C场电流。因为原子频标的长期稳定度取决于原子频标的长期漂移特性，所以作为一种长期稳定度参数优化的方法，待优化参数须在影响原子频标的长期漂移特性的参数中选取。容易知道，影响长期漂移特性的参数主要包括灯温、腔温和C场电流。其中，灯温是光谱灯的温度，决定了光频移；腔温是腔泡系统中微波腔的温度，决定了吸收泡内微弱的化学物理反应；C场电流是绕制在微波腔上的C场线圈的通电电流。其中，灯温的取值范围为120°C 130°C，腔温的取值范围为60°C 70°C，C场电流的取值范围为lmA-2mA。为每一个待优化参数确定一个取值范围，目的是为了减少实验次数。因为在实际操作中，要进行全面的实验是比较困难的。为方便说明，下文中分别用A、B和C表示灯温、腔温和C场电流。表I
权利要求
1.一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法，其特征在于，所述方法包括设置多个工作参数点；每个所述工作参数点包括多个实验点且每个实验点对应不同的待优化参数，每个所述待优化参数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化参数相对应的实验点均匀分布在所述待优化参数的取值范围内且包括所述取值范围的两端点，每两个所述工作参数点中最多只有一个实验点相同，且各个所述实验点在所有所述工作参数点中出现的次数相等；所述待优化参数包括灯温、腔温和C场电流；根据各所述工作参数点分别调节所述原子频标的灯温、腔温和C场电流；测量各所述工作参数点对应的原子频标的输出频率与标准时钟源的频率差，并根据所述频率差选择最佳工作参数点。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述灯温的取值范围为120°C 130°C，所述腔温的取值范围为60V 70°C，所述C场电流的取值范围为ImA 2mA。
3.根据权利要求I或2所述的方法，其特征在于，所述方法还包括对所述最佳工作参数点中对应灯温的实验点进行微调，并保持所述最佳工作参数点中的其余实验点不变；测量微调后所述原子频标输出频率与标准时钟源的频率差，并根据所述频率差确定所述最佳工作参数点中对应灯温的最优实验点。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对所述最佳工作参数点中对应灯温的实验点进行微调中，微调的范围为当前所述最佳工作参数点中对应灯温的实验点前后各0.5 °c，每次调节的调节量为0. rc。
5.一种原子频标的长期稳定度参数优化的装置，其特征在于，所述装置包括设置模块，用于设置多个工作参数点；每个所述工作参数点包括多个实验点且每个实验点对应不同的待优化参数，每个所述待优化参数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化参数相对应的实验点均匀分布在所述待优化参数的取值范围内且包括所述取值范围的两端点，每两个所述工作参数点中最多只有一个实验点相同，且各个所述实验点在所有所述工作参数点中出现的次数相等；所述待优化参数包括灯温、腔温和C场电流；灯温调节模块，用于根据各所述工作参数点中对应灯温的实验点，调节原子频标的物理系统中光谱灯的温度；腔温调节模块，用于根据各所述工作参数点中对应腔温的实验点，调节所述物理系统中微波腔的温度；C场电流调节模块，用于根据各所述工作参数点中对应C场电流的实验点，调节所述物理系统中C场线圈的通电电流大小；测量模块，用于测量各所述工作参数点对应的原子频标的输出频率与标准时钟源的频率差，并根据所述频率差选择最佳工作参数点；其中，所述设置模块分别与所述灯温调节模块、所述腔温调节模块、所述C场电流调节模块和所述测量模块相连；所述灯温调节模块与所述光谱灯相连；所述腔温调节模块与所述微波腔相连；所述C场电流调节模块与所述C场线圈相连；所述测量模块与所述原子频标的隔离放大器相连。
6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述灯温调节模块还用于，对所述最佳工作参数点中对应灯温的实验点进行微调；相应地，所述测量模块还用于，测量微调后所述原子频标输出频率与标准时钟源的频率差，并根据所述频率差确定所述最佳工作参数点中对应灯温的最优实验点。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述灯温调节模块具体包括第一加热单元，用于为所述原子频标的光谱灯加热；第一电桥单元，用于测量所述光谱灯的温度并将测得的温度转换为电压值；第一差分放大单元，用于将所述电桥单元输出的电压值差分放大；第一模数转换单元，用于采集所述差分放大单元输出的电压值并转换为数字信号； 第一处理单元，用于根据所述模数转换单元转换的数字信号控制所述加热单元是否工作；其中，所述第一加热单元与所述第一处理单元相连；所述第一电桥单元分别与所述第一差分放大单元和所述第一处理单元相连；所述第一差分放大单元与所述第一模数转换单元相连；所述第一模数转换单元与所述第一处理单元相连。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述腔温调节模块具体包括第二加热单元，用于为所述原子频标的微波腔加热；第二电桥单元，用于测量所述微波腔的温度并将测得的温度转换为电压值；第二差分放大单元，用于将所述电桥单元输出的电压值差分放大；第二模数转换单元，用于采集所述差分放大单元输出的电压值并转换为数字信号； 第二处理单元，用于根据所述模数转换单元转换的数字信号控制所述加热单元是否工作；其中，所述第二加热单元与所述第二处理单元相连；所述第二电桥单元分别与所述第二差分放大单元和所述第二处理单元相连；所述第二差分放大单元与所述第二模数转换单元相连；所述第二模数转换单元与所述第二处理单元相连。
9.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述第一电桥单元或第二电桥单元具体包括热敏电阻、第一恒温电阻、数字电位计、第二恒温电阻、以及直流电压基准；其中，所述热敏电阻第一端与所述第一恒温电阻第二端相连，所述第一恒温电阻的第一端与所述数字电位计的第二端相连，所述数字电位计的第一端与所述第二恒温电阻的第二端相连，所述第二恒温电阻的第一端与所述热敏电阻的第二端相连，所述直流电压基准位于所述热敏电阻和所述第二恒温电阻的连接点、所述第一恒温电阻和所述数字电位计的连接点之间。
10.根据权利要求7或8所述的装置，其特征在于，所述第一处理单元或第二处理单元为单片机。
全文摘要
本发明公开了一种原子频标的长期稳定度参数优化的方法和装置。方法包括设置工作参数点；每个工作参数点包括多个实验点且每个实验点对应不同的待优化参数，每个待优化参数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化参数相对应的实验点均匀分布在待优化参数的取值范围内且包括取值范围的两端点，每两个工作参数点中最多只有一个实验点相同，且各个实验点在所有工作参数点中出现的次数相等；待优化参数包括灯温、腔温和C场电流；根据各工作参数点分别调节原子频标的灯温、腔温和C场电流；测量各工作参数点对应的原子频标的输出频率与标准时钟源的频率差，并根据频率差选择最佳工作参数点。本发明可以提高原子频标的长期稳定度。
文档编号H03L7/26GK102611448SQ20121008793
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月29日 优先权日2012年3月29日
发明者詹志明, 雷海东 申请人:江汉大学