具有新型伺服方式的原子频标的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有新型伺服方式的原子频标，属于原子频标领域。所述具有新型伺服方式的原子频标包括：压控晶振、微波产生模块、物理模块、鉴相模块和补偿模块，所述微波产生模块分别与所述压控晶振、所述物理模块和所述鉴相模块电连接，所述鉴相模块还与所述物理模块及所述补偿模块电连接，所述补偿模块还与所述压控晶振电连接，所述物理模块包括微波腔，所述微波腔内并排设置有第一光电池、第二光电池和第三光电池，所述第一光电池和所述第二光电池关于所述微波腔的中轴线对称，所述第三光电池设置在所述第一光电池和所述第二光电池之间。
【专利说明】
具有新型伺服方式的原子频标
技术领域
[0001]本实用新型涉及原子频标领域，特别涉及一种具有新型伺服方式的原子频标。
【背景技术】
[0002]为获得大自然中比较稳定的时间频率，人们通过对铷、铯、氢等原子施加弱磁场，使其原子能级由基态转变为激发态，利用不受外界磁场干扰的基态超精细结构0-0跃迀中心频率作为参照时间频率值。
[0003]在原子频标中，压控晶振输出的探测信号经过微波产生模块处理得到微波探询信号，微波探询信号包括Π、f2两个边带;物理模块对微波探询信号进行鉴频，将会得到两个鉴频信号Vl、V2，如果Vl等于V2，说明fl、f 2恰好处于原子谱线中心频率fo左右两侧且正好对称，此时微波探询信号对准了原子跃迀中心频率;而当Vl不等于V2时，伺服模块根据鉴频信号产生纠偏电压作用于压控晶振，以调整压控晶振的输出频率;通过上述结构单元，最终将压控晶振的输出频率锁定在原子跃迀中心频率上。
[0004]在实现本实用新型的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题:
[0005]由于物理模块可能受电子线路(压控晶振、微波产生模块、伺服模块等)、环境因素(温度、湿度)影响，微波腔中各个部位的原子的共振频率会有差别，而实际的原子谱线是各部分原子谱线的叠加，原子谱线形状反映了微波腔中磁场分布的情况，在这种情况下，原子谱线由于施加磁场的不均匀、不对称，就会导致实际的原子谱线出现畸变，在原子谱线畸变的情况下，当Π和f2处于fo的两侧时，检测到的两个电压Vl和V2是不相等的，也就是说，在现有技术中，认为对准原子跃迀中心频率fo时，S卩V1=V2时，实际上并没有真实地反映中心频率值。因此，现有技术无法准确的锁定原子跃迀中心频率。
【实用新型内容】
[0006]为了解决现有技术的问题，本实用新型实施例提供了一种具有新型伺服方式的原子频标。所述技术方案如下:
[0007]本实用新型实施例还提供了一种具有新型伺服方式的原子频标，所述具有新型伺服方式的原子频标包括:压控晶振、微波产生模块、物理模块、鉴相模块和补偿模块，所述微波产生模块分别与所述压控晶振、所述物理模块和所述鉴相模块电连接，所述鉴相模块还与所述物理模块及所述补偿模块电连接，所述补偿模块还与所述压控晶振电连接，所述物理模块包括微波腔，所述微波腔内对称设置有第一光电池和第二光电池，以及设置在所述第一光电池和所述第二光电池之间的第三光电池，所述第一光电池和所述第二光电池关于所述微波腔的中轴线对称。
[0008]在本实用新型实施例的一种实现方式中，所述物理模块还包括光谱灯、腔泡、耦合环、C场线圈、恒温单元和磁屏，所述微波腔设置在所述光谱灯的光路上，所述腔泡和耦合环设置在所述微波腔中，且所述腔泡和所述第三光电池依次设置在所述光谱灯的光路上，所述C场线圈、所述恒温单元和所述磁屏依次围设在所述微波腔的外围。
[0009]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述腔泡为集成滤光共振泡。
[0010]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述微波腔为TElll模式的微波腔。
[0011]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述第一光电池、所述第二光电池和所述第三光电池为相同的光电池。
[0012]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述第一光电池、所述第二光电池和所述第三光电池为在800nm有最强感光效应的硅光电池。
[0013]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述鉴相模块包括第一同步鉴相单元、第二同步鉴相单元和第三同步鉴相单元，所述第一同步鉴相单元与所述第一光电池电连接，所述第二同步鉴相单元与所述第二光电池电连接，所述第三同步鉴相单元与所述第三光电池电连接。
[0014]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述微波产生模块包括隔离放大器、射频倍频单元、微波倍混频单元、微处理器和频率合成器，所述微处理器分别与所述鉴相模块、所述隔离放大器和所述频率合成器电连接，所述隔离放大器分别与所述压控晶振和所述射频倍频单元电连接，所述微波倍混频单元分别与所述射频倍频单元、所述频率合成器及所述物理模块电连接。
[0015]在本实用新型实施例的另一种实现方式中，所述补偿模块为中央处理器芯片。
[0016]本实用新型实施例提供的技术方案带来的有益效果是:
[0017]在本实用新型实施例中，通过在物理模块中设置微波腔，在微波腔中对称设置两个光电池，在这两个光电池之间设置第三个光电池，根据三个光电池得到3个量子鉴频信号，完成三组同步鉴相，根据三组同步鉴相结果进行纠偏，避免了电子线路以及环境因素对于原子频标锁定的影响。
【附图说明】
[0018]为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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。
[0019]图1是本实用新型实施例提供的具有新型伺服方式的原子频标的结构示意图。
【具体实施方式】
[0020]为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型实施方式作进一步地详细描述。
[0021]图1是本实用新型实施例提供的一种具有新型伺服方式的原子频标(后文简称原子频标)的结构示意图，参见图1，原子频标包括:压控晶振101、微波产生模块102、物理模块103、鉴相模块104和补偿模块105，物理模块103包括微波腔(图未示出)，微波腔内并排设置有第一光电池13a、第二光电池13b和第三光电池13c，第一光电池13a和第二光电池13b关于微波腔的中轴线对称，第三光电池13c设置在第一光电池13a和第二光电池13b之间；
[0022]压控晶振101，用于提供一探测信号。
[0023]微波产生模块102，用于对探测信号进行调制并将经过调制的探测信号作用于物理模块103上。
[0024]鉴相模块104，用于通过同步鉴相技术分别得到与第一光电池13a对应的第一误差信号AWl、与第二光电池132b对应的第二误差信号AW2和与第三光电池对应的第三误差信号 AW3。
[0025]补偿模块105，用于根据ΔWl、Δ W2和Δ W3判断是否需要对原子频标进行纠偏；当需要对原子频标进行纠偏时，采用△ Wl或△ W2或者△ Wl和△ W2的均值，对原子频标进行纠偏。
[0026]在本实用新型实施例中，通过在物理模块中设置微波腔，在微波腔中对称设置两个光电池，在这两个光电池之间设置第三个光电池，根据三个光电池得到3个量子鉴频信号，完成三组同步鉴相，根据三组同步鉴相结果进行纠偏，避免了电子线路以及环境因素对于原子频标锁定的影响。
[0027]在本实用新型实施例中，物理模块103还包括光谱灯、腔泡、耦合环、C场线圈、恒温单元、磁屏及金属隔板，微波腔设置在光谱灯的光路上，腔泡和耦合环设置在微波腔中，且腔泡和第三光电池(与另外2个光电池并排设置)依次设置在光谱灯的光路上，C场线圈、恒温单元和磁屏依次围设在微波腔的外围。
[0028]其中，腔泡为集成滤光共振泡。
[0029]在本实用新型实施例中，第一光电池13a和第二光电池132b关于微波腔的中轴线对称。微波磁场的纵向分量的强度在耦合环两侧最强，所以在工作状态下原子共振跃迀信号最强的地方在微波腔的腔体两边，故将第一光电池13a和第二光电池132b对称地安装在中心轴线的两侧可以获得最强信号，而将第三光电池13c设置在中间获得次强信号。但是，当微波腔内的原子跃迀中心发生跳变上，由上述三个光电池得到的鉴频信号，经过处理产生的纠偏信号都会导致原子频标的稳定度发生较大变化，因此可以作为判断是否纠偏的依据，来进行原子频标的伺服纠偏，详见后文关于补偿模块105如何确定是否补偿的描述。
[0030]在本实用新型实施例中，微波腔为TEl11模式的微波腔。
[0031]在本实用新型实施例中，第一光电池13a、第二光电池132b和第三光电池13c为相同的光电池。具体第一光电池13a、第二光电池132b和第三光电池13c为同一型号、同一批次的光电池。
[0032]其中，第一光电池13a、第二光电池132b和第三光电池13c为在800nm有最强感光效应的硅光电池，以提高光检的精度。
[0033]进一步地，除了微波腔外围设有恒温单元外，光谱灯外围也设有恒温单元。
[0034]在本实用新型实施例中，鉴相模块104包括第一同步鉴相单元141、第二同步鉴相单元142和第三同步鉴相单元143，第一同步鉴相单元141与第一光电池13a电连接，第二同步鉴相单元142与第二光电池132b电连接，第三同步鉴相单元143与第三光电池13c电连接。
[0035]在本实用新型实施例的一种实现方式中，微波产生模块102包括隔离放大器121、射频倍频单元122、微波倍混频单元123、微处理器124和频率合成器125，微处理器124分别与鉴相模块104、隔离放大器121和频率合成器125电连接，隔离放大器121分别与压控晶振101和射频倍频单元122电连接，微波倍混频单元分别与射频倍频单元122、频率合成器125及物理模块103电连接。
[0036]其中，压控晶振101输出探测信号；隔离放大器121用于将压控晶振101的输出频率信号进行隔离和放大;微处理器124和频率合成器125用于产生综合调制信号；隔离放大器121的输出信号经过射频倍频单元122输出至微波倍混频单元123，微波倍混频单元123用于对射频倍频单元122的输出信号和综合调制信号同时进行倍频和混频，以产生经过调制的探测信号;物理模块103用于对经过调制的探测信号进行鉴频，产生鉴频信号；鉴相模块104对鉴频信号进行选频放大后与参考信号进行同步鉴相，产生误差信号。
[0037]其中，微处理器124采用隔离放大器121的输出作为参考源，通过串行通讯方式向频率合成器125发送频率合成指令，同时微处理器124直接向频率合成器125的键控调频引脚送一路79Hz键控调频信号。频率合成器125接收微处理器124发来的频率合成指令，以射频倍频单元122的输出为参考源，产生直接数字频率合成的5.3125MHz ± △ f的综合调制信号，其中Af的大小由原子频标物理模块103的具体线宽决定。微处理器124还产生的三路79Hz的参考信号分别送入第一同步鉴相单元141、第二同步鉴相单元142和第三同步鉴相单元143，用于进行同步鉴相。微处理器124产生的送至频率合成器125中的79Hz键控调频信号与送至鉴相模块104的79Hz参考信号具有相同相位。
[0038]其中，频率合成器125为直接式数字频率合成器。
[0039]其中，补偿模块105为中央处理器芯片。
[0040]在本实用新型实施例中，补偿模块105用于采用下述方式，判断是否进行补偿:
[0041]第一步:控制微波产生模块将未经调制的探测信号作用于物理模块上。
[0042]第二步:通过扫频技术拟合出与第一光电池对应的第一原子谱线图以及与第二光电池对应的第二原子谱线图。
[0043]具体地，在物理模块未接入原子频标时，通过输入未经调制的探测信号，然后检测其输出，从而拟合原子谱线图，在此过程中物理模块中磁场未受到原子频标中电子线路的影响，拟合得到的原子谱线图精度高。其中，未经调制的探测信号可以由一个频率源输入。其中，扫频是指控制频率在一定范围内逐渐变化。
[0044]在本实用新型实施例中，通过扫频技术拟合出与第一光电池对应的第一原子谱线图以及与第二光电池对应的第二原子谱线图，包括:
[0045]控制未经调制的探测信号进行扫频；
[0046]采集第一光电池输出的鉴频信号的第一电压以及与第一电压一一对应的探测信号频率值，拟合出第一原子谱线图；采集第二光电池输出的鉴频信号的第二电压以及与第二电压一一对应的探测信号频率值，拟合出第二原子谱线图。
[0047]第三步:将经过调制的探测信号作用于物理模块上，通过同步鉴相技术分别得到与第一光电池对应的第一误差信号△ Wl、与第二光电池对应的第二误差信号△ W2和与第三光电池对应的AW3。
[0048]在本实用新型实施例中，通过同步鉴相技术分别得到与第一光电池对应的第一误差信号A Wl、与第二光电池对应的第二误差信号△ W2和与第三光电池对应的△ W3，包括:
[0049]获取物理模块产生的第一鉴频信号、第二鉴频信号和第三鉴频信号，第一鉴频信号由第一光电池输出，第二鉴频信号由第二光电池输出，第三鉴频信号由第三光电池输出；
[0050]将第一鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到第一误差信号AWl，将第二鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到第二误差信号A W2，将第三鉴频信号与参考信号进行同步鉴相，得到第三误差信号A W3。[0051 ] 第四步:判断Δ Wl、或Δ W2或Δ Wl和Δ W2的均值，与Δ W3分别对原子频标纠偏造成的频率稳定度变化。如果两种纠偏方式变化都过大，则说明原子频标受到外部环境影响，此时不进行纠偏;例如，对于稳定度为IE-1I量级原子频标，如果两种纠偏的稳定度均为1E-10量级，那么可以判断此时物理模块被外界影响了，进行纠偏会造成原子频标系统输出信号频率发生跳变，此时不进行纠偏。如果两种纠偏方式变化都不明显过大，执行第五步。如果其中一个明显过大:若明显过大的是AWl和AW2组成的纠偏，此时不进行纠偏，如果明显过大的是A W3的纠偏，则执行第五步。
[0052]第五步:在第一原子谱线图上查找经过调制的探测信号两个边带对应的电压值Vll和V12，在第二原子谱线图上查找经过调制的探测信号两个边带对应的电压值V21和V22。计算 Δ Vl和 Δ V2，Δ Vl = Vl 1-V12- Affl, Δ V2 = V21_V22_ Δ W2。当 Δ Vl和 Δ V2的乘积为正时，对原子频标进行纠偏；当A Vl和△ V2的乘积为负时，不对原子频标进行纠偏；当A Vl和Δ V2的乘积为O，且Δ Vl不为O时，对原子频标进行纠偏；当Δ Vl和Δ V2的乘积为O，且Δ Vl为O时，不对原子频标进行纠偏。
[0053]具体地，进行纠偏时，采用AWl、AW2中的任一个，或者AWl、AW2的均值，对原子频标进行纠偏。
[0054]具体地，经过调制的探测信号包括两个边带fl、f2，在原子谱线可以查找到对应的电压值。
[0055]在实现上述判断过程时，补偿模块105中存储有第一原子谱线图和第二原子谱线图，第一原子谱线图和第二原子谱线图是将未经调制的探测信号作用于物理模块103上，通过扫频技术拟合得到的，第一原子谱线图和第一光电池13a对应，第二原子谱线图和第二光电池132b对应。
[0056]具体地，在物理模块未接入原子频标时，通过输入未经调制的探测信号，然后检测其输出，从而拟合原子谱线图，在此过程中物理模块中磁场未受到原子频标中电子线路的影响，拟合得到的原子谱线图精度高。其中，未经调制的探测信号可以由一个频率源输入。其中，扫频是指控制频率在一定范围内逐渐变化。
[0057]本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。
[0058]以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种具有新型伺服方式的原子频标，其特征在于，所述具有新型伺服方式的原子频标包括:压控晶振、微波产生模块、物理模块、鉴相模块和补偿模块，所述微波产生模块分别与所述压控晶振、所述物理模块和所述鉴相模块电连接，所述鉴相模块还与所述物理模块及所述补偿模块电连接，所述补偿模块还与所述压控晶振电连接，所述物理模块包括微波腔，所述微波腔内并排设置有第一光电池、第二光电池和第三光电池，所述第一光电池和所述第二光电池关于所述微波腔的中轴线对称，所述第三光电池设置在所述第一光电池和所述第二光电池之间。2.根据权利要求1所述的原子频标，其特征在于，所述物理模块还包括光谱灯、腔泡、耦合环、C场线圈、恒温单元和磁屏，所述微波腔设置在所述光谱灯的光路上，所述腔泡和耦合环设置在所述微波腔中，且所述腔泡和所述第三光电池依次设置在所述光谱灯的光路上，所述C场线圈、所述恒温单元和所述磁屏依次围设在所述微波腔的外围。3.根据权利要求2所述的原子频标，其特征在于，所述腔泡为集成滤光共振泡。4.根据权利要求2所述的原子频标，其特征在于，所述微波腔为TEl11模式的微波腔。5.根据权利要求1-4任一项所述的原子频标，其特征在于，所述第一光电池、所述第二光电池和所述第三光电池为相同的光电池。6.根据权利要求5所述的原子频标，其特征在于，所述第一光电池、所述第二光电池和所述第三光电池为在800nm有最强感光效应的硅光电池。7.根据权利要求1-4任一项所述的原子频标，其特征在于，所述鉴相模块包括第一同步鉴相单元、第二同步鉴相单元和第三同步鉴相单元，所述第一同步鉴相单元与所述第一光电池电连接，所述第二同步鉴相单元与所述第二光电池电连接，所述第三同步鉴相单元与所述第三光电池电连接。8.根据权利要求1-4任一项所述的原子频标，其特征在于，所述微波产生模块包括隔离放大器、射频倍频单元、微波倍混频单元、微处理器和频率合成器，所述微处理器分别与所述鉴相模块、所述隔离放大器和所述频率合成器电连接，所述隔离放大器分别与所述压控晶振和所述射频倍频单元电连接，所述微波倍混频单元分别与所述射频倍频单元、所述频率合成器及所述物理模块电连接。9.根据权利要求1-4任一项所述的原子频标，其特征在于，所述补偿模块为中央处理器芯片。
【文档编号】H03L7/26GK205545205SQ201620094709
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年1月29日
【发明人】漆为民
【申请人】江汉大学