基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定原子钟及实现方法与流程

本发明涉及微波与光频原子钟及量子频率标准技术领域，尤其涉及一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟及其实现方法。

背景技术：

原子钟是迄今为止能够输出最准确最稳定频率信号的科学设备，目前性能最好的原子钟已经能够实现10^-19量级的频率变化测量。得益于原子钟的发展，很多与时频相关的领域，如：全球卫星导航定位系统、高速信息网络时频同步等都能够看到原子钟的身影，并且，高性能的原子钟也正被逐渐应用到传统技术手段所不能够实现的领域，这些应用毫无疑问的凸显了高性能原子钟具有巨大的应用前景和潜力。

原子钟根据本地振荡器输出信号主频率的不同，可以分为微波原子钟和光频原子钟；根据工作原理的不同，其又可以分为被动型原子钟和主动型原子钟。不同种类的原子钟工作原理和输出信号特点都不相同，但其作为一种频率发生设备，最终目的就是为了提供输出精确稳定的频率信号。目前原子钟普遍采用pid(比例proportion、积分integral、微分differential)控制的方法将钟信号频率与量子参考标准频率相比较，用得到的本振信号与原子跃迁频率偏差来执行反馈调节控制，以实现高频率稳定度的钟信号输出。对原子钟内部关键部件的高精度温度控制亦是如此，以pid控温最为常见。

但是，pid控制方法不可避免的会存在一定的缺陷：对于目标参量的控制总是存在一定的剩余偏差，从而导致原子钟系统的输出频率及被控部件的温度也随之相关联而波动；原子钟系统时刻存在着外界环境干扰、测量噪声等影响，而pid控制器却无法根据系统的变化来自动调整控制参数。这些缺陷不仅限制了原子钟频率稳定度指标的提高，而且对于一些对温度极其敏感、控温精度需求极高的原子钟，如：气室型原子钟来说，温度会直接影响原子的跃迁频率，导致随着采样时间的累积，中长期系统的频率以斜率τ发生漂移。并且，原子气室处较大的温度波动会使原子数密度波动大，降低了谱线的信噪比，同时还会使热原子间的碰撞频移更大，同样限制了系统频率稳定度的进一步提高。因此，对原子钟系统进行精确控温控频至关重要。目前国内外仅报道了一项利用卡尔曼滤波算法提高钟差预测精度的实例[专利号：cn201811561770.8]，而将卡尔曼滤波技术运用到原子钟内部的实例，文献和专利均未见应用报道。

技术实现要素：

本发明针对原子钟现有控温控频技术中所存在的上述缺陷和不足，于国际上首次创新地提出一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法。通过将卡尔曼滤波算法与现有传统的pid控制技术相结合，利用卡尔曼滤波器对信号的良好滤波效果，把滤波后的信号反馈给pid控制器，以减小过程噪声和测量噪声对系统控制参数的影响，从而实现控制参数的最优化，改善控制效果，使控制系统能够很快地趋于平稳状态，由此大幅度地提高原子钟系统的频率稳定度。此外，对于对温度极其敏感、控温精度需求极高的原子钟，如：气室型原子钟，结合卡尔曼滤波技术进行控温可以显著改善温度对原子跃迁频率的影响，抑制系统中长期频率稳定度的漂移，由此极大地提高原子钟系统的中长期稳定度。本发明的实现，可以很好地解决原子钟现有控温控频技术中存在剩余控制偏差以及无法避免过程噪声和测量噪声等外界因素影响，导致控制效果差从而限制原子钟频率稳定度指标进一步提高的问题。

本发明的技术方案是：

一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法，基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟包括：卡尔曼滤波模块、匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器、匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路、原子鉴频器、高速探测器、匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器。

基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法包括以下步骤：

1)将匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器发出的电磁振荡信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路，得到频率接近于原子频率的电磁波信号；

2)原子鉴频器在接收到步骤1)中产生的电磁波信号时作出响应，发射或吸收相应频率的电磁波信号；发射或吸收的电磁波信号被高速探测器接收；

3)经高速探测器输出的电信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器中进行解算后的电信号，与对匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路输出的电磁波信号进行测量得到的电信号，一起输入至卡尔曼滤波模块中进行滤波；

4)卡尔曼滤波模块利用递推的方式对每一时刻的测量值和预测值求出最小均方误差，在上一时刻得出的预测值的基础上，根据当前时刻的测量值进行线性修正，得出当前时刻对下一时刻更为精确的最佳预测值估计；

5)经步骤3)卡尔曼滤波模块滤波后的信号反馈至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器，对pid控制参数进行最优化估计，由此产生的卡尔曼滤波伺服信号用于反馈调节步骤1)中匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器的输出频率，从而实现高频率稳定度的信号输出。

上述基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法的步骤2)中，原子鉴频器发射或吸收的相应频率的电磁波也被称为共振信号，当原子鉴频器接收到电磁波信号的频率与其自身频率完全相同时，共振信号最强，接收到电磁波信号的频率偏离时则共振信号减弱；根据共振信号的大小及其距离峰值的位置可以判断外来电磁波信号频率是否与原子频率相符及其偏离的程度。

步骤3)中，卡尔曼滤波模块可以采用贝尔斯估计、回归算法或指数平滑等预测方法。

具体地，卡尔曼滤波是一种递推的线性最小方差估计方法，是在上一时刻得出的估计值的基础上，根据当前时刻的测量值进行线性修正，得出当前时刻的最优状态估计值。卡尔曼的状态方程及测量方程表达式为：

x(k)＝ax(k-1)+b(u(k)-ω(k-1))

yν(k)＝cx(k)+ν(k)

其中，x(k)为原子钟系统的状态信号，yν(k)为原子钟系统的测量信号，ω(k)为过程噪声信号，ν(k)为测量噪声信号。

卡尔曼滤波算法可分为预测和更新两步，第一步，预测：假设k时刻为当前时刻，按照k-1时刻的预测值来估计k时刻系统的状态，得出系统在k时刻的预先估计值；第二步，更新：在k时刻通过测量仪器测量出系统的当前值，并对其预先估计值进行校正更新，得出k时刻的预测值，并计算下一时刻(k+1时刻)的预先估计值。

卡尔曼滤波模块的时间更新方程可表示为：

卡尔曼滤波模块的状态更新性能方程可表示为：

其中，为原子钟系统k时刻的预先估计值，和分别为原子钟系统在k-1时刻和k时刻的预测值，为原子钟系统k时刻的预先估计值协方差，pk-1和pk分别为原子钟系统k-1时刻和k时刻的预测值协方差，h为状态变量到测量的转换矩阵，a为状态转移矩阵，b为将输入转换为状态的矩阵，q为过程噪声协方差，r为测量噪声协方差，kk为卡尔曼滤波系数，zk为滤波的输入。

总体来说，卡尔曼滤波是利用递推的方式对每一时刻的测量值和预测值求出最小均方误差，从而实现更为精确的最佳目标值估计。其核心是求解卡尔曼增益加权测量值后去修正预测值。

步骤4)中的测量值是指对匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路输出的电磁波信号的测量，是包含测量噪声的系统实际状态值；预测值由卡尔曼滤波模块最优估计后得到。

步骤4)中，对原子钟频率控制的卡尔曼滤波递推算法也可适用于对原子钟内部一些关键部件的控温。基于卡尔曼滤波的温度控制系统包括卡尔曼滤波模块、温控对象、加热制冷装置、热敏电阻、匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器。其中，温控对象可以为激光器、原子气室、原子束装置、原子炉等；加热制冷装置中的加热功能可以采用加热片或加热丝实现，制冷功能可以采用tec制冷片实现；热敏电阻紧贴被温控对象，起到传感温度的作用；卡尔曼滤波模块将热敏电阻测量出的温度值和匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器解算出的温度偏差信号相融合，经滤波后反馈给匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器，得到最优化的pid控制参数估计，再由此产生卡尔曼滤波伺服控制信号反馈至加热制冷装置，通过控制加热制冷装置的通断进而实现高精度的温度控制。

采用上述基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法实现的高频率稳定度信号输出的原子钟可以是小型铷原子微波钟、芯片原子钟、小型气室型光钟、小型铯原子束微波钟等所有具有控温控频需求的原子钟。

具体实施时，利用基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟方法实现的高稳定度原子钟包括：卡尔曼滤波模块、匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器、匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路、原子鉴频器、高速探测器、匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器。上述高稳定度原子钟工作时：

匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器发出的电磁振荡信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路，得到频率接近于原子频率的电磁波信号；

原子鉴频器在接收到该电磁波信号时会作出响应，发射或吸收相应频率的电磁波，被高速探测器所接收，该电磁波也被称为共振信号；

当原子鉴频器接收到电磁波信号的频率与其自身频率完全相同时，共振信号最强，偏离时则减弱；根据共振信号的大小及其距离峰值的位置可以判断外来电磁波信号频率是否与原子频率相符及其偏离的程度；

经高速探测器输出的信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器中进行解算，并与测量出的匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路输出的频率信号一起输入至卡尔曼滤波模块中；

经卡尔曼滤波模块滤波后的信号反馈至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器，对pid控制参数进行最优化估计，由此产生的卡尔曼滤波伺服信号用于反馈调节匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器的输出频率，从而实现高频率稳定度的信号输出。

进一步，原子钟是采用受控振荡器的振荡信号作为标准频率信号，该振荡信号严格受原子鉴频器内的原子运动控制，其频率取决于原子频率。由于原子中不同的电子运动有不同的能量，原子的电子状态不同，因此，原子吸收或发射电磁波的频率(原子频率)也差别很大，从射频波段一直延续到光波段。对于这些不同波段范围、不同工作原理的原子钟，结合卡尔曼滤波技术进行控温、控频，均会对原子钟系统的频率稳定度起到良好的改善效果。

与原子钟现有控温控频技术相比，本发明的新颖性和创造性体现在：

(一)本发明提供了一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法，通过将卡尔曼滤波算法与传统的pid控制技术相结合，利用卡尔曼滤波器对信号的良好滤波效果，把滤波后的信号反馈给pid控制器，有效减小了过程噪声和测量噪声对系统控制参数的影响，从而实现了控制参数的最优化，使控制系统很快地趋于平稳状态，由此大幅度地提高原子钟系统的频率稳定度。此外，对于对温度极其敏感、控温精度需求极高的原子钟，如：气室型原子钟，结合卡尔曼滤波技术进行控温可以显著改善温度对原子跃迁频率的影响，抑制系统中长期频率稳定度的漂移，由此极大地提高原子钟系统的中长期稳定度。本发明的实现很好地解决了原子钟现有控温控频技术中存在剩余控制偏差以及无法避免过程噪声和测量噪声等外界因素影响，导致控制效果差从而限制原子钟频率稳定度指标进一步提高的问题。将卡尔曼滤波技术运用到原子钟内部的实例，国内外的文献和专利均未见应用报道。

(二)本发明提供的对原子钟频率控制的卡尔曼滤波最优状态估计方法也可适用于对原子钟内部一些关键部件的控温，如：激光器、原子气室、原子束装置、原子炉等。因为温度是影响原子钟频率稳定度最为关键的因素之一，所以对原子钟内部关键部件的高精度控温尤其重要。传统的pid控温方法具有一定的局限性，对原子钟所需的高控温精度无法达到理想的效果。而本发明巧妙地将卡尔曼滤波技术与pid控制技术相结合，在pid控制的基础上实现了控温精度的大幅度提升。

3、本发明提供的基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟的实现方法对所有具有控温控频需求的原子钟均适用，如：小型铷原子微波钟、芯片原子钟、小型气室型光钟、小型铯原子束微波钟等，未来其将会具有广阔的应用前景。

附图说明

图1为本发明基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实施例的结构示意图；

其中：1—卡尔曼滤波模块、2—匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器、3—匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路、4—原子鉴频器、5—高速探测器、6—匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器。

图2为本发明基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实施例中基于卡尔曼滤波的温度控制系统的结构示意图；

其中：301—卡尔曼滤波模块、302—温控对象、303—加热制冷装置、304—热敏电阻、305—匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

本发明提供一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟，包括：卡尔曼滤波模块、匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器、匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路、原子鉴频器、高速探测器、匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器。

如图1，具体实施例的基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟包括：卡尔曼滤波模块1、匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器2、匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路3、原子鉴频器4、高速探测器5、匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器6。匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器2发出的电磁振荡信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路3，得到频率接近于原子频率的电磁波信号；原子鉴频器4在接收到上述电磁波信号时作出响应，发射或吸收相应频率的电磁波，被高速探测器5所接收；经高速探测器5输出的信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器6中进行解算，并与测量出的匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路3输出的频率信号一起输入至卡尔曼滤波模块1中；卡尔曼滤波模块1利用递推的方式对每一时刻的测量值和预测值求出最小均方误差，在上一时刻得出的预测值的基础上，根据当前时刻的测量值进行线性修正，得出当前时刻对下一时刻更为精确的最佳预测值估计；经卡尔曼滤波模块1滤波后的信号反馈至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器6，对pid控制参数进行最优化估计，由此产生卡尔曼滤波伺服信号用于反馈调节匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器2的输出频率，从而实现高频率稳定度的信号输出。

如图2，本实施例的基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟中的基于卡尔曼滤波的温度控制系统包括：卡尔曼滤波模块301、温控对象302、加热制冷装置303、热敏电阻304、匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器305；卡尔曼滤波模块301将热敏电阻304测量出的温度值和匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器305解算出的温度偏差信号相融合，经滤波后反馈给匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器305，得到最优化的pid控制参数估计，再由此产生卡尔曼滤波伺服控制信号反馈至加热制冷装置303，通过控制加热制冷装置303的通断进而实现高精度的温度控制。

匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器发出的电磁振荡信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路，得到频率接近于原子频率的电磁波信号；

原子鉴频器在接收到该电磁波信号时会作出响应，发射或吸收相应频率的电磁波，被高速探测器所接收，该电磁波也被称为共振信号；

当原子鉴频器接收到电磁波信号的频率与其自身频率完全相同时，共振信号最强，偏离时则减弱；根据共振信号的大小及其距离峰值的位置可以判断外来电磁波信号频率是否与原子频率相符及其偏离的程度；

经高速探测器输出的信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器中进行解算，并与测量出的匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路输出的频率信号一起输入至卡尔曼滤波模块中；

经卡尔曼滤波模块滤波后的信号反馈至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器，对pid控制参数进行最优化估计，由此产生的卡尔曼滤波伺服信号用于反馈调节匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器的输出频率，从而实现高频率稳定度的信号输出。

上述卡尔曼滤波是一种递推的线性最小方差估计方法，其含义是在上一时刻得出的估计值的基础上，根据当前时刻的测量值进行线性修正，得出当前时刻的最优状态估计值。卡尔曼的状态方程及测量方程表达式为：

x(k)＝ax(k-1)+b(u(k)-ω(k-1))

yν(k)＝cx(k)+ν(k)

其中，x(k)为原子钟系统的状态信号，yν(k)为原子钟系统的测量信号，ω(k)为过程噪声信号，ν(k)为测量噪声信号。

卡尔曼滤波算法可分为预测和更新两步，第一步，预测：假设k时刻为当前时刻，按照k-1时刻的预测值来估计k时刻系统的状态，得出系统在k时刻的预先估计值；第二步，更新：在k时刻通过测量仪器测量出系统的当前值，并对其预先估计值进行校正更新，得出k时刻的预测值，并计算下一时刻(k+1时刻)的预先估计值。

卡尔曼滤波模块的时间更新方程可表示为：

卡尔曼滤波模块的状态更新性能方程可表示为：

其中，为原子钟系统k时刻的预先估计值，和分别为原子钟系统在k-1时刻和k时刻的预测值，为原子钟系统k时刻的预先估计值协方差，pk-1和pk分别为原子钟系统k-1时刻和k时刻的预测值协方差，h为状态变量到测量的转换矩阵，a为状态转移矩阵，b为将输入转换为状态的矩阵，q为过程噪声协方差，r为测量噪声协方差，kk为卡尔曼滤波系数，zk为滤波的输入。

总体来说，卡尔曼滤波是利用递推的方式对每一时刻的测量值和预测值求出最小均方误差，从而实现更为精确的最佳目标值估计。其核心是求解卡尔曼增益加权测量值后去修正预测值。

进一步，原子钟是采用受控振荡器的振荡信号作为标准频率信号，该振荡信号严格受原子鉴频器内的原子运动控制，其频率取决于原子频率。由于原子中不同的电子运动有不同的能量，原子的电子状态不同，因此原子吸收或发射电磁波的频率(原子频率)也差别很大，从射频波段一直延续到光波段。对于这些不同波段范围、不同工作原理的原子钟，结合卡尔曼滤波技术进行控温、控频，均会对原子钟系统的频率稳定度起到良好的改善效果。

进一步，本发明基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟不仅在控频方面结合了卡尔曼滤波技术，对于钟内部一些关键部件的控温，也使用了卡尔曼滤波技术；

基于卡尔曼滤波的温度控制系统包括卡尔曼滤波模块、温控对象、加热制冷装置、热敏电阻、匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器。其中，温控对象可以为激光器、原子气室、原子束装置、原子炉等；加热制冷装置中的加热功能可以采用加热片或加热丝实现，制冷功能可以采用tec制冷片实现；热敏电阻紧贴被温控对象，起到传感温度的作用；

卡尔曼滤波模块将热敏电阻测量出的温度值和匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器解算出的温度偏差信号相融合，经滤波后反馈给匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器，得到最优化的pid控制参数估计，再由此产生卡尔曼滤波伺服控制信号反馈至加热制冷装置，通过控制加热制冷装置的通断进而实现高精度的温度控制。

进一步，本发明基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟中的卡尔曼滤波模块可以采用贝尔斯估计、回归算法或指数平滑等预测方法。

进一步，本发明阐述的基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法对所有具有控温控频需求的原子钟均适用，例如：小型铷原子微波钟、芯片原子钟、小型气室型光钟、小型铯原子束微波钟等。

本发明的基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟的实现方法，具体包括以下步骤：

1)将匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器发出的电磁振荡信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路，得到频率接近于原子频率的电磁波信号；

2)原子鉴频器在接收到步骤1)中产生的电磁波信号时作出响应，发射或吸收相应频率的电磁波信号，发射或吸收的电磁波信号被高速探测器所接收；

3)经高速探测器输出的电信号传输至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器中进行解算，并与测量出的匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路输出的电磁波信号一起输入至卡尔曼滤波模块中进行滤波；

4)步骤3)中的卡尔曼滤波模块利用递推的方式对每一时刻的测量值和预测值求出最小均方误差，在上一时刻得出的预测值的基础上，根据当前时刻的测量值进行线性修正，得出当前时刻对下一时刻更为精确的最佳预测值估计；

5)经步骤3)卡尔曼滤波模块滤波后的信号反馈至匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器，对pid控制参数进行最优化估计，由此产生的卡尔曼滤波伺服信号用于反馈调节步骤1)中匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器的输出频率，从而实现高频率稳定度的信号输出。

步骤2)中，原子鉴频器发射或吸收的相应频率的电磁波也被称为共振信号，当原子鉴频器接收到电磁波信号的频率与其自身频率完全相同时，共振信号最强，接收到电磁波信号的频率偏离时则共振信号减弱；根据共振信号的大小及其距离峰值的位置可以判断外来电磁波信号频率是否与原子频率相符及其偏离的程度。

步骤3)中，卡尔曼滤波模块可以采用贝尔斯估计、回归算法或指数平滑等预测方法。

步骤4)中的测量值是指对匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路输出的电磁波信号的测量，是包含测量噪声的系统实际状态值；预测值由卡尔曼滤波模块最优估计后得到。

步骤4)中，对原子钟频率控制的卡尔曼滤波递推算法也可适用于对原子钟内部一些关键部件的控温。基于卡尔曼滤波的温度控制系统包括卡尔曼滤波模块、温控对象、加热制冷装置、热敏电阻、匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器。其中，温控对象可以为激光器、原子气室、原子束装置、原子炉等；加热制冷装置中的加热功能可以采用加热片或加热丝实现，制冷功能可以采用tec制冷片实现；热敏电阻紧贴被温控对象，起到传感温度的作用；

卡尔曼滤波模块将热敏电阻测量出的温度值和匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器解算出的温度偏差信号相融合，经滤波后反馈给匹配卡尔曼滤波功能的pid控制器，得到最优化的pid控制参数估计，再由此产生卡尔曼滤波伺服控制信号反馈至加热制冷装置，通过控制加热制冷装置的通断进而实现高精度的温度控制。

步骤5)实现的高频率稳定度信号输出的原子钟可以是小型铷原子微波钟、芯片原子钟、小型气室型光钟、小型铯原子束微波钟等所有具有控温控频需求的原子钟。

具体地，在本发明实施例中的基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟将卡尔曼滤波算法与传统的pid控制技术相结合，利用卡尔曼滤波器对信号的良好滤波效果，把滤波后的信号反馈给pid控制器，有效减小了过程噪声和测量噪声对系统控制参数的影响，从而实现了控制参数的最优化，使控制系统很快地趋于平稳状态，由此大幅度地提高原子钟系统的频率稳定度。此外，对于对温度极其敏感、控温精度需求极高的原子钟，如：气室型原子钟，结合卡尔曼滤波技术进行控温可以显著改善温度对原子跃迁频率的影响，抑制系统中长期频率稳定度的漂移，由此极大地提高原子钟系统的中长期稳定度。另外，对原子钟频率控制的卡尔曼滤波最优状态估计方法也可适用于对原子钟内部一些关键部件的控温，如：激光器、原子气室、原子束装置、原子炉等。通过卡尔曼滤波技术与pid控制技术的巧妙结合，有效地突破了传统pid控温方法的局限性，在pid控制的基础上实现了控温精度的大幅度提升。最后，本发明提供的此方法对所有具有控温控频需求的原子钟均适用，如：小型铷原子微波钟、芯片原子钟、小型气室型光钟、小型铯原子束微波钟等，未来其将会具有广阔的应用前景。本发明在此情形下与目前原子钟最为常见的pid控温控频技术存在剩余控制偏差以及无法避免过程噪声和测量噪声等外界因素影响问题有着本质的区别。

本发明具体实施时，基于卡尔曼滤波的温度控制系统中的温控对象可以为激光器、原子气室、原子束装置、原子炉等；加热制冷装置中的加热功能可以采用加热片或加热丝实现，制冷功能可以采用tec制冷片实现；热敏电阻紧贴被温控对象，起到传感温度的作用。

卡尔曼滤波模块可以采用贝尔斯估计、回归算法或指数平滑等预测方法。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。上述的替换包括不同类型原子钟的替换，如将小型铷原子微波钟、芯片原子钟、小型气室型光钟、小型铯原子束微波钟替换成任何具有控温控频需求的其他类型原子钟。上述的替换包括不同温控对象的替换，如将激光器、原子气室、原子束装置、原子炉替换成其它任何需要高精密控温的原子钟内部的关键部件。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。