一种外部场强激励式原子频标仿真系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种外部场强激励式原子频标仿真系统，包括光场激励发生器、滤光模块、温度场激励发生器、磁场激励发生器、共振吸收模块、光强检测模块；所述光场激励发生器连接有光谱灯源，所述光谱灯源的光线穿过透镜后经过滤光模块后到达共振吸收模块；所述共振吸收模块连接有温度场激励发生器和磁场激励发生器，所述共振吸收模块还连接有光强检测模块；本发明结构简单、设计合理，通过以一种外部激励方式引发原子钟内部相应场强发生变化，在极短时间内评估仿真结果，为本领域开展相应的研发工作提供参考；通过本专利策略的仿真实施，更大的意义在于提出了一种双参数同时改变改善原子钟整机系统性能的方法，并验证了其可行性。
【专利说明】
一种外部场强激励式原子频标仿真系统
技术领域
[0001] 本发明涉及仿真系统领域，尤其涉及一种外部场强激励式原子频标仿真系统。
【背景技术】
[0002] 光抽运铷原子频标也是传统的实用型原子频标，尽管其某些性能指标比不上铯和 氢原子频标，但是它是应用范围最广、价格最低廉的一种原子频标。其准确度为10-11，稳定 度为10-12量级。小型化是光抽运铷原子频标的发展趋势，目前国内除我所以外，有北京大 学、航天部203所等单位积极开展铷原子频标领域的小型化工作。国际上铷原子频标的小型 化也有飞速的进展，分米量级的铷原子频标已经商品化。
[0003] 目前，就各行各业的需要，原子频率在以下方面具有突出的应用前景： 1.作为时间标准用来计时授时。
[0004] 2.作为频率标准用来计频授频。
[0005] 3.在导航定位卫星中是实现系统工作的基础。
[0006] 4.在数字通信中为各个通信节点提供统一时间。
[0007] 5.用于时间传递，如科学应用、天文台、大学和标准实验室系统内部同步，时间的 同步。
[0008] 6.在导弹靶场、卫星跟踪站、核爆侦听站几乎都使用原子钟。
[0009] 7在天文学、地球物理学、计量学及基础科学研究方面也要广泛地使用原子钟。
[0010] 8.海陆空交通管理。
[0011] 9.减灾预报.如气象、地震、水文、森林火灾等。
[0012] 10.城市出租车、银行送钞车、外交礼仪车的监护。
[0013] 多年来人们一直在原子频标领域中进行着不断地探索与创新，以求取得更大的突 破。对应用面宽广的被动型铷原子频标，人们更是倾注极大的关注。
[0014] 早期，为减小微波功率频移、改善被动型铷频标性能，人们提出了用高分子材料涂 层的铷吸收泡代替充缓冲气体的铷吸收泡的想法。在充缓冲气体的铷吸收泡中，由于87Rb 原子和缓冲气体分子频繁的碰撞使它被囚禁在吸收泡的一个小区域内。而在整个吸收泡中 各处的C场值和抽运光强不一样，所以各处的87Rb原子0-0跃迀的中心频率有所不同，造 成了微波功率频移的存在，这成为影响被动式铷原子频标频率稳定度的一个重要因素。为 克服这种频移，1980年A.Ris]ey等人用石蜡作涂层代替缓冲气体，在动态真空系统上测量 了铷吸收泡的性能，结果表明微波功率频移减小了 100倍，但是Rb原子与石蜡碰撞会产生壁 移。1982年H，G.Robinson等人用40烷涂层的吸收泡得到了线宽仅为IHz的Rb原子的0-0跃迀 谱线。1985年R.P.Fruehoh等人在理论上分析了铷吸收泡在不同谐振腔中的线宽。1987年C. Rahman等人又得到了线宽为10Hz的Rb原子0-0跃迀谱线。但是一直到现在为止，尚未见到 有关于用涂层泡制成的被动式原子频标长、短稳性能的报导。实验结果表明涂层本身的放 气使吸收泡的真空度不断下降，它既产生碰撞频移又使得微波功率频移不断增加。这个因 素可能就是为什么到现在为止仍然未见利用涂层泡制成高性能铷原子频标报导的主要原 因。
[0015] 近年来，我们提出了体系内优势组合的方案，众所周知，在被动型原子频标中，量 子系统提供一个峰点频率稳定，线宽较窄的原子共振吸收线作为频率基准对石英晶体本振 的输出信号进行鉴频，进而对本振进行压控，将其输出频率锁到原子共振吸收线的峰点上。 因此在一台被动型原子频标体系内，量子系统自身本质上就是一个长稳良好的频率源，而 石英晶体振荡器则是另一个被控的频率源。随着石英晶振研究的深入发展，它的短稳越来 越好。目前商品晶振的秒级稳定度已达1 X 10-13/S，而实验室里晶振的秒级稳定度已达7 X 10-14/S。因此我们完全有可能在一台被动型原子频标体系内进行量子系统与石英晶体本 振的优势组合。将量子系统良好的长期频率稳定度与准确度传递给石英晶体本振，而石英 晶体本振自身良好的短期稳定度得以保持。从而以一种相对简洁的技术途径得到一台小体 积、小功耗、小重量的长短稳兼优的被动型原子频标。此方案设计的样机已经通过了项目测 试验收，其结果是令人满意的。
[0016]
【发明内容】
[0017] 本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种外部场强激励式原子频标 仿真系统，以一种外部激励方式引发原子钟内部相应场强发生变化，在极短时间内评估仿 真结果，为本领域开展相应的研发工作提供参考。
[0018] 本发明是通过以下技术方案实现： 一种外部场强激励式原子频标仿真系统，包括光场激励发生器、滤光模块、温度场激励 发生器、磁场激励发生器、共振吸收模块、光强检测模块;所述光场激励发生器连接有光谱 灯源，所述光谱灯源的光线穿过透镜后经过滤光模块后到达共振吸收模块;所述共振吸收 模块连接有温度场激励发生器和磁场激励发生器，所述共振吸收模块还连接有光强检测模 块。
[0019] 进一步地，所述光场激励发生器是一个受控的可调式脉冲激励源，用于激励光谱 灯源内的光元素起辉发光，并且可以控制其光强的大小。
[0020] 进一步地，所述滤光模块内含有与光谱灯源内光元素的同位素物质，用于对光谱 灯源发出的光进行初次滤光作用。
[0021] 进一步地，所述温度场激励发生器是一个受控的可调式温控源，为共振吸收模块 中的元素提供温度场。
[0022] 进一步地，所述磁场激励发生器是一个受控的可调式电流源，电流通过共振吸收 模块内的螺旋管线圈产生可调式磁场，为共振吸收模块中的元素进行原子分裂提供C场。
[0023] 进一步地，所述共振吸收模块中含有与光谱灯源中光元素相同的元素物质，与透 过滤光模块中的光进行共振作用产生能级跃迀达到吸收作用。
[0024] 进一步地，所述光强检测模块对光场激励发生器、滤光模块、温度场激励发生器、 磁场激励发生器和共振吸收模块中的的从左至右光强产生的透光进行多次光电检测。 [0025]实施原理： 第一步：分别改变图1中各场强激励大小，通过光强检测模块同步地记录光电检测数 据。得到图2、3、4的检测结果(注意：图2、3、4中横坐标是按照传统原子钟改变射频场大小， 而相应改变磁场、光场、温度场激励的效果在各图体现在不同颜色的曲线上）。
[0026] 第二步:找出有足够敏感性的场强激励。具体如下:在三个图中相应的曲线斜率较 大处我们可以发现，对于图2的磁场激励曲线斜率较大处的纵坐标值集中在-1.5和+1.5处； 对于图3的光场激励曲线斜率较大处的纵坐标值集中在(-1.75至-0.75)和(0.75至1.75)区 域;对于图4的温度场激励曲线斜率较大处的纵坐标值集中在(-1.6至-0.6)和(0.75至1.6) 区域。以上说明图1中的系统光检测输出对于温度场和光强激励变化敏感、而对磁强激励变 化不敏感。于是我们确定光强激励及温度场激励为仿真对象，定义RB1605为光强激励产生 的光电检测仿真结果、定义RB1609为温度强激励产生的光电检测仿真结果、定义Y为光强激 励减去温度场激励产生的光电检测仿真结果，即Y=RB1605-RB1609。
[0027] 第三步:确定样本区间及激励源变化方向。对于选定的光强激励及温度场激励，我 们在上述测试仿真时是相应的大范围改变对应各图中的Z轴激励参数，可以说它反映了可 能出现的各种情况。为此我们按照图5选择相应的样本区间：图5中实线部分为最大的样本 空间记为L5,虚线部分为其余的小样本区间示意图，它的选择是将L5进行压缩至1/4、1/6、 1/12、1/20,分别记为14丄3、12丄1。在上述区间中，按照图5选择光场及温度场激励方向，使 两者变化方向相反。
[0028] 第四步：建立策略模型，获得移动平均值及漂移阀值。在第二步中我们定义了Y= RB1605-RB1609,在第三步中我们选择一个具体的样本区间（例如L5)并且使RB1605和 RB1609采取反方向激励变化，得到的按秒级时间间隔采样的数据曲线如图6所示： 在本模型中我们拟对每一组激励采样最近的20个点，即图6中的任意连续20个点表示 为L5YX、L5YX+1、…、L5YX+19、L5YX+20(x表示第x个采样点），并将获得的20个数据按以下方 法得到移动平均值记为MA(X20): 根据图6的采样曲线，用数学模型表示： r = (1) 其中a，b是未知常数^是随机误差，它表示许多没有考虑的因素的综合影响，可以认为 设=0〇
[0029] 对每一个观察点(xi，yi)，根据（1)式应满足 的:二.+芯 CI_'= W) (2) 设是我们所需求的估计，图6中我们给出一根红色的线表示理想的理论Y值。在x=xi 处，（xi，yi)与之间的偏差是： h) (3) 这里有n个观察点的偏差值，应该综合考虑，显然我们不能用代数和来表示，因为偏差 有正有负，它们的代数和会出现正负相抵消而不能代表真正的总偏差。若取绝对值后再求 和，显然可以避免这一缺点，但却不便于作数学运算，所以采用偏差平方和来表示总偏差： ^ BI _ . _ :B. S = ZltFf - a- (4) 使&达到极小值，作为a，b的估计。由于$是a，b的非负二次函数，这种极小值一定存在。 由微积分知道，使^达到极小的a，b应满足下列议程组： 这里求得的g，就是我们所需要
的移动平均值MA(X20)。
[0030]对于某一特定的样本区间（例如L5)，很显然在整个激励过程中瞬时获得的激励采 样值L5Yx应围绕其移动平均值MA(X20)发生扰动，如图6所示各采样点将围绕着图中的红线 上下波动，也即两激励变化差Y=RB1605-RB1609应以较大的概率处于以移动平均值为轴心 的上下各偏移一定范围的的带状区域之中，即如图6所示我们标出的蓝色带状区域。当差脱 离这一范围一定区域后，虽然这种差相对于核心带状区域的有可能进一步扩展但最终将以 极大的概率在较短的时间内回归到这一区域之内。差值对带状区域的反复跳出和回归就构 成了本专利仿真策略的机制。
[0031] 具体而言，移动平均值回复策略的核心就是：当L5Yx= RB1605-RB1609值上穿带状 区域的上沿时，表示L5Yx= RB1605-RB1609值偏大，我们将减小光场激励RB1605的值，同时 增加温度场激励RB1609的值，等L5 Yz (z表示x点后的某个采样点)值回归到MA( z 20 )时，则继 续按照原来的图5激励示样继续；同样的道理，当L5Yx= RB1605-RB1609值下穿带状区域的 下沿时，表示L5Yx= RB1605-RB1609值偏小，我们将增加光场激励RB1605的值，同时减小温 度场激励RB 1609的值，等L5 Yz (z表示x点后的某个采样点)值回归到MA (z 20 )时，则继续按照 原来的图5激励示样继续。
[0032] 在策略的具体实现上，我们把偏离移动平均值的上沿或下沿边缘值定义为漂移阀 值FL，那么移动平均值MA和漂移阀值FL设定是这一策略实现过程的关键参数，在仿真测试 中我们采用了 MA=20以及MA=10的设定;FL的设定我们统一为FL=MA*1.1。而衡量整个仿真效 果的好坏我们用Q值表示(Q值默认在不实施本策略时为1，Q值越大越好），Q值实际中是通过 传统原子钟输出频率信号通过频稳测试仪进行测试获得的。
[0033] 第五步:策略测试。我们测试在以下条件下进行：图1系统每次激励及采样的时间t =1秒、完整的一组激励测试时间为6240秒、移动平均值MA=20和10、漂移阀值FL= MA*1.1、激 励源选择为光场激励和温度场激励（即RB1605和RB1609)、样本区间选择为L1、L2、L3、L4、 L5。测试结果如图7所示；由图7仿真结果来看，每一个仿真的Q值都较初始值有较大的增加， 说明在采有了本专利的回归策略后有助于使整个原子钟系统输出的信号频率更稳定。再者 研究人员应该选择较窄的样本区间（例如表中L2 )及较长周期的移动平均值(例如MA=20 )。 这样的仿真结果与实际情况是相符的：因为在闭环的原子钟系统中，较短伺服的响应时间 (对应于表中的较大的回归次数)及较高的伺服响应精度(对应于表中的较小的样本区间 L2 )都有利于整机系统的性能(对应于表中较大的Q值）。 与现有的技术相比，本发明的有益效果是:本发明结构简单、设计合理，通过以一种外 部激励方式引发原子钟内部相应场强发生变化，在极短时间内评估仿真结果，为本领域开 展相应的研发工作提供参考;通过本专利策略的仿真实施，更大的意义在于提出了一种双 参数同时改变改善原子钟整机系统性能的方法，并验证了其可行性。
[0034]
【附图说明】
[0035]图1为本发明的结构原理示意图； 图2为本发明中在磁场激励条件下光电检测数据图； 图3为本发明中在光场激励条件下光电检测数据图； 图4为本发明中温度场激励条件下光电检测数据图； 图5为本发明中样本区间内光场激励和温度场激励的数据对比图； 图6为本发明中采样-时间曲线图； 图7为本发明中仿真测试结果图表。
[0036]
【具体实施方式】
[0037] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0038] 请参阅图1-7,图1为本发明的结构原理示意图；图2为本发明中在磁场激励条件下 光电检测数据图；图3为本发明中在光场激励条件下光电检测数据图；图4为本发明中温度 场激励条件下光电检测数据图；图5为本发明中样本区间内光场激励和温度场激励的数据 对比图；图6为本发明中采样-时间曲线图；图7为本发明中仿真测试结果图表。
[0039] -种外部场强激励式原子频标仿真系统，包括光场激励发生器、滤光模块、温度场 激励发生器、磁场激励发生器、共振吸收模块、光强检测模块;所述光场激励发生器连接有 光谱灯源，所述光谱灯源的光线穿过透镜后经过滤光模块后到达共振吸收模块;所述共振 吸收模块连接有温度场激励发生器和磁场激励发生器，所述共振吸收模块还连接有光强检 测模块。
[0040] 所述光场激励发生器是一个受控的可调式脉冲激励源，用于激励光谱灯源内的光 元素起辉发光，并且可以控制其光强的大小。
[0041] 所述滤光模块内含有与光谱灯源内光元素的同位素物质，用于对光谱灯源发出的 光进行初次滤光作用。
[0042] 所述温度场激励发生器是一个受控的可调式温控源，为共振吸收模块中的元素提 供温度场。
[0043] 所述磁场激励发生器是一个受控的可调式电流源，电流通过共振吸收模块内的螺 旋管线圈产生可调式磁场，为共振吸收模块中的元素进行原子分裂提供C场。
[0044] 所述共振吸收模块中含有与光谱灯源中光元素相同的元素物质，与透过滤光模块 中的光进行共振作用产生能级跃迀达到吸收作用。
[0045] 所述光强检测模块对光场激励发生器、滤光模块、温度场激励发生器、磁场激励发 生器和共振吸收模块中的的从左至右光强产生的透光进行多次光电检测。
[0046] 作为本发明一个实施例，采用如下实施原理进行仿真实验： 第一步：分别改变图1中各场强激励大小，通过光强检测模块同步地记录光电检测数 据。得到图2、3、4的检测结果(注意：图2、3、4中横坐标是按照传统原子钟改变射频场大小， 而相应改变磁场、光场、温度场激励的效果在各图体现在不同颜色的曲线上）。
[0047] 第二步:找出有足够敏感性的场强激励。具体如下:在三个图中相应的曲线斜率较 大处我们可以发现，对于图2的磁场激励曲线斜率较大处的纵坐标值集中在-1.5和+1.5处； 对于图3的光场激励曲线斜率较大处的纵坐标值集中在(-1.75至-0.75)和(0.75至1.75)区 域;对于图4的温度场激励曲线斜率较大处的纵坐标值集中在(-1.6至-0.6)和(0.75至1.6) 区域。以上说明图1中的系统光检测输出对于温度场和光强激励变化敏感、而对磁强激励变 化不敏感。于是我们确定光强激励及温度场激励为仿真对象，定义RB1605为光强激励产生 的光电检测仿真结果、定义RB1609为温度强激励产生的光电检测仿真结果、定义Y为光强激 励减去温度场激励产生的光电检测仿真结果，即Y=RB1605-RB1609。
[0048]第三步:确定样本区间及激励源变化方向。对于选定的光强激励及温度场激励，我 们在上述测试仿真时是相应的大范围改变对应各图中的Z轴激励参数，可以说它反映了可 能出现的各种情况。为此我们按照图5选择相应的样本区间：图5中实线部分为最大的样本 空间记为L5,虚线部分为其余的小样本区间示意图，它的选择是将L5进行压缩至1/4、1/6、 1/12、1/20,分别记为14丄3、12丄1。在上述区间中，按照图5选择光场及温度场激励方向，使 两者变化方向相反。
[0049] 第四步：建立策略模型，获得移动平均值及漂移阀值。在第二步中我们定义了Y= RB1605-RB1609,在第三步中我们选择一个具体的样本区间（例如L5)并且使RB1605和 RB1609采取反方向激励变化，得到的按秒级时间间隔采样的数据曲线如图6所示： 对于某一特定的样本区间（例如L5)，很显然在整个激励过程中瞬时获得的激励采样值 L5Yx应围绕其移动平均值MA(X20)发生扰动，如图6所示各采样点将围绕着图中的红线上下 波动，也即两激励变化差Y=RB1605-RB1609应以较大的概率处于以移动平均值为轴心的上 下各偏移一定范围的的带状区域之中，即如图6所示我们标出的蓝色带状区域。当差脱离这 一范围一定区域后，虽然这种差相对于核心带状区域的有可能进一步扩展但最终将以极大 的概率在较短的时间内回归到这一区域之内。差值对带状区域的反复跳出和回归就构成了 本专利仿真策略的机制。
[0050] 具体而言，移动平均值回复策略的核心就是：当L5Yx= RB1605-RB1609值上穿带状 区域的上沿时，表示L5Yx= RB1605-RB1609值偏大，我们将减小光场激励RB1605的值，同时 增加温度场激励RB1609的值，等L5 Yz (z表示x点后的某个采样点)值回归到MA( z 20 )时，则继 续按照原来的图5激励示样继续；同样的道理，当L5Yx= RB1605-RB1609值下穿带状区域的 下沿时，表示L5Yx= RB1605-RB1609值偏小，我们将增加光场激励RB1605的值，同时减小温 度场激励RB 1609的值，等L5 Yz (z表示x点后的某个采样点)值回归到MA (z 20 )时，则继续按照 原来的图5激励示样继续。
[0051] 在策略的具体实现上，我们把偏离移动平均值的上沿或下沿边缘值定义为漂移阀 值FL，那么移动平均值MA和漂移阀值FL设定是这一策略实现过程的关键参数，在仿真测试 中我们采用了 MA=20以及MA=10的设定;FL的设定我们统一为FL=MA*1.1。而衡量整个仿真效 果的好坏我们用Q值表示(Q值默认在不实施本策略时为1，Q值越大越好），Q值实际中是通过 传统原子钟输出频率信号通过频稳测试仪进行测试获得的。
[0052] 第五步:策略测试。我们测试在以下条件下进行：图1系统每次激励及采样的时间t =1秒、完整的一组激励测试时间为6240秒、移动平均值MA=20和10、漂移阀值FL= MA*1.1、激 励源选择为光场激励和温度场激励（即RB1605和RB1609)、样本区间选择为L1、L2、L3、L4、 L5。测试结果如图7所示；由图7仿真结果来看，每一个仿真的Q值都较初始值有较大的增加， 说明在采有了本专利的回归策略后有助于使整个原子钟系统输出的信号频率更稳定。再者 研究人员应该选择较窄的样本区间（例如表中L2 )及较长周期的移动平均值(例如MA=20 )。 这样的仿真结果与实际情况是相符的：因为在闭环的原子钟系统中，较短伺服的响应时间 (对应于表中的较大的回归次数)及较高的伺服响应精度(对应于表中的较小的样本区间 L2 )都有利于整机系统的性能(对应于表中较大的Q值）。
[0053]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精 神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种外部场强激励式原子频标仿真系统，其特征在于:包括光场激励发生器、滤光模 块、温度场激励发生器、磁场激励发生器、共振吸收模块、光强检测模块;所述光场激励发生 器连接有光谱灯源，所述光谱灯源的光线穿过透镜后经过滤光模块后到达共振吸收模块； 所述共振吸收模块连接有温度场激励发生器和磁场激励发生器，所述共振吸收模块还连接 有光强检测模块。2. 根据权利要求1所述的一种外部场强激励式原子频标仿真系统，其特征在于:所述光 场激励发生器是一个受控的可调式脉冲激励源，用于激励光谱灯源内的光元素起辉发光， 并且可以控制其光强的大小。3. 根据权利要求1所述的一种外部场强激励式原子频标仿真系统，其特征在于:所述滤 光模块内含有与光谱灯源内光元素的同位素物质，用于对光谱灯源发出的光进行初次滤光 作用。4. 根据权利要求1所述的一种外部场强激励式原子频标仿真系统，其特征在于:所述温 度场激励发生器是一个受控的可调式温控源，为共振吸收模块中的元素提供温度场。5. 根据权利要求1所述的一种外部场强激励式原子频标仿真系统，其特征在于:所述磁 场激励发生器是一个受控的可调式电流源，电流通过共振吸收模块内的螺旋管线圈产生可 调式磁场，为共振吸收模块中的元素进行原子分裂提供C场。6. 根据权利要求1所述的一种外部场强激励式原子频标仿真系统，其特征在于:所述共 振吸收模块中含有与光谱灯源中光元素相同的元素物质，与透过滤光模块中的光进行共振 作用产生能级跃迀达到吸收作用。7. 根据权利要求1所述的一种外部场强激励式原子频标仿真系统，其特征在于:所述光 强检测模块对光场激励发生器、滤光模块、温度场激励发生器、磁场激励发生器和共振吸收 模块中的的从左至右光强产生的透光进行多次光电检测。
【文档编号】G06F17/50GK105912786SQ201610229885
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月14日
【发明人】雷海东
【申请人】江汉大学