专利名称：一种原子频标的短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，特别涉及ー种原子频标的短期稳定度參数优化的方法和装置。
背景技术：
原子频标的參数优化包括原子频标的长期稳定度參数优化和短期稳定度參数优化。短期稳定度參数优化是通过相关优化试验获取影响短期稳定度的所有系统參数的最佳工作參数点。影响短期稳定度的系统參数主要包括调制深度和调制频率。
现有的短期稳定度參数优化的实验即以调制深度和调制频率为待测系统參数，然后将待测系统參数逐个优化。例如，首先优化调制频率固定调制深度的值，对调制频率进行小范围调节，測量原子频标的输出频率信号的稳定度，选择短期稳定度最高时的调制频率值作为调制频率的最优工作取值；然后优化调制深度将已优化的调制频率固定在其最优工作取值，对调制深度进行小范围调节，測量原子频标的输出频率信号的稳定度，获取调制深度的最优工作取值；最后将两者的最优工作取值的组合作为前述原子频标短期稳定度的所有系统參数的最佳工作參数点。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待测系统參数逐个优化的顺序，如预先固定调制频率而不是调制深度，会产生另外的最佳工作參数点。这是由于现有的參数优化实验是采取预先固定某些系统參数的方法，忽略了各系统參数之间存在交互作用的影响，所以最終得到的最佳工作參数点不准确，进而限制了原子频标的短期稳定度的进ー步提高。
发明内容
为了提高原子频标的短期稳定度，本发明实施例提供了ー种原子频标的短期稳定度參数优化的方法和装置。所述技术方案如下—种原子频标的短期稳定度參数优化的方法，所述方法包括设置多个工作參数点；姆个所述工作參数点包括多个实验点且姆个所述实验点对应不同的待优化參数，姆个所述待优化參数对应多个实验点且对应的所述实验点数量相同，与同一个待优化參数相对应的实验点均匀分布在所述待优化參数的取值范围内且包括所述取值范围的两端点，每两个所述工作參数点中最多只有一个所述实验点相同，且各个所述实验点在所有所述工作參数点中出现的次数相等；所述待优化參数包括调制深度、调制频率和微波功率；根据各所述工作參数点分别调节所述原子频标的调制深度、调制频率和微波功率；计算各所述工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，井根据所述鉴频斜率选择最佳工作參数点。具体地，所述调制深度的取值范围为250Hz 450Hz，所述调制频率的取值范围为79Hz 99Hz，所述微波功率的取值范围为_40dBm _30dBm。其中，所述计算各所述工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，并根据所述鉴频斜率选择最佳工作參数点，包括调节输入至所述原子频标中压控晶振的压控电压的大小；采集每次调节所述压控晶振后，所述原子频标的伺服电路同步鉴相后输出的量子纠偏电压信号， 获得纠偏电压；根据所述压控晶振的输出频率与所述量子纠偏电压信号得到鉴频斜率曲线，井根据所述鉴频斜率曲线计算各所述工作參数点对应的所述原子频标的鉴频斜率；比较计算出的所有所述鉴频斜率，将鉴频斜率最大的工作參数点，作为与所述原子频标短期稳定度对应的所述最佳工作參数点。其中，所述方法还包括先改变所述原子频标的C场电流，再进ー步调节所述原子频标的所述微波功率，同时保持所述最佳工作參数点中除所述微波功率对应的实验点外的其余实验点不变，測量所述原子频标输出频率与标准时钟源的频率差值，井根据所述差值确定最佳工作參数点中对应所述微波功率的最优实验点、以及所述C场电流。具体地，所述C场电流的变化范围为lmA-2. 5mA ;所述微波功率的调节范围为所述最佳工作參数点中对应的微波功率与原子频标长期稳定度的最佳工作參数点中对应的微波功率之间；及所述C场电流的改变量为0. 5mA ;所述微波功率的调节量为0. 5dBm。ー种原子频标的短期稳定度參数优化的装置，所述装置包括设置模块，用于设置多个工作參数点；每个所述工作參数点包括多个实验点且每个所述实验点对应不同的待优化參数，姆个所述待优化參数对应多个实验点且对应的所述实验点数量相同，与同一个待优化參数相对应的实验点均匀分布在所述待优化參数的取值范围内且包括所述取值范围的两端点，每两个所述工作參数点中最多只有一个所述实验点相同，且各个所述实验点在所有所述工作參数点中出现的次数相等；所述待优化參数包括调制深度、调制频率和微波功率；调制深度调节模块，用于根据各所述工作參数点中对应调制深度的实验点，调节原子频标的综合器的调制深度；调制频率调节模块，用于根据各所述工作參数点中对应调制频率的实验点，调节所述综合器的调制频率；微波功率调节模块，用于根据各所述工作參数点中对应微波功率的实验点，调节输入至物理系统的微波信号的微波功率；计算模块，用于计算各所述工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，井根据所述鉴频斜率选择最佳工作參数点；所述设置模块分别与所述调制深度调节模块、所述调制频率调节模块、所述微波功率调节模块和所述计算模块相连；所述调制深度调节模块和所述调制频率调节模块分别与所述综合器相连；所述微波功率调节模块与所述原子频标的微波倍、混频相连；所述计算模块分别与所述原子频标的压控晶振和伺服电路相连。其中，所述装置还包括C场电流调节模块，
所述C场电流调节模块与所述计算模块相连，用于改变所述原子频标的C场电流；相应地，所述微波功率调节模块还用干，在改变所述C场电流后，调节所述原子频标的所述微波功率；相应地，所述计算模块还用干，同时保持所述最佳工作參数点中除所述微波功率对应的实验点外的其余实验点 不变，測量所述原子频标输出频率与标准时钟源的频率差值，井根据所述差值确定最佳エ作參数点中对应所述微波功率的最优实验点、以及所述C场电流。其中，所述计算模块包括调节单元，用于调节输入至所述原子频标中压控晶振的压控电压的大小；采集单元，用于采集每次调节所述压控晶振后，所述原子频标的伺服电路同步鉴相后输出的量子纠偏电压信号，获得纠偏电压；计算单元，用于根据所述压控晶振的输出频率与所述量子纠偏电压信号得到鉴频斜率曲线，井根据所述鉴频斜率曲线计算各所述工作參数点对应的所述原子频标的鉴频斜率；比较单元，用于比较计算出的所有所述鉴频斜率，将鉴频斜率最大的工作參数点，作为与所述原子频标短期稳定度对应的所述最佳工作參数点；所述调节単元分别与所述压控晶振和所述计算単元相连；所述采集単元分别与所述伺服电路和所述计算単元相连；所述计算単元与所述比较单元相连。进ー步地，所述计算模块包括计算机和微控制器。 其中，所述装置还包括显示模块，所述显示模块与所述计算模块相连，用于显示所述鉴频斜率和所述最佳工作參数点。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參数点，并使得工作參数点中对应的待优化參数的实验点在待优化參数的取值范围内分布均匀；根据各所述工作參数点分别调节所述原子频标的调制深度、调制频率和微波功率；计算各工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，并根据鉴频斜率选择最佳工作參数点；能够解决现有的原子频标的短期稳定度參数优化实验中系统參数之间存在交互作用的问题，使得到的最佳エ作參数点更加准确，提高了原子频标的短期稳定度；进ー步平衡了长期稳定度，提高了原子频标整机的稳定度。
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中提供的ー种原子频标的短期稳定度參数优化的方法的流程图；图2是本发明实施例2中提供的ー种原子频标的短期稳定度參数优化的方法的流程图3是本发明实施例2中提供的工作參数点分布的示意图；图4是本发明实施例2中提供的鉴频斜率曲线的示意图；图5是本发明实施例2中提供的微波功率与频率差的关系示意图；图6是本发明实施例3中提供的原子频标的示意图；图7是本发明实施例3中提供的ー种原子频标的短期稳定度參数优化的装置的示意图；图8是本发明实施例4中提供的ー种原子频标的短期稳定度參数优化的装置的示意图；图9是本发明实施例4中提供的C场电流调节模块工作原理的示意图。
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ー步地详细描述。实施例I參见图1，本发明实施例I提供了ー种原子频标的短期稳定度參数优化的方法，具体包括101 :设置多个工作參数点；姆个工作參数点包括多个实验点且姆个实验点对应不同的待优化參数，姆个待优化參数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化參数相对应的实验点均匀分布在待优化參数的取值范围内且包括取值范围的两端点，姆两个工作參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參数点中出现的次数相等；该待优化參数包括调制深度、调制频率和微波功率。其中，调制深度的取值范围为250Hz 450Hz，调制频率的取值范围为79Hz 99Hz，微波功率的取值范围为-40dBm _30dBm。102:根据各工作參数点分别调节原子频标的调制深度、调制频率和微波功率。103 :计算各工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，并根据鉴频斜率选择最佳エ作參数点。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參数点，并使得工作參数点中对应的待优化參数的实验点在待优化參数的取值范围内分布均匀；根据各エ作參数点分别调节原子频标的调制深度、调制频率和微波功率；计算各工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，并根据鉴频斜率选择最佳工作參数点；能够解决现有的原子频标的短期稳定度參数优化实验中系统參数之间存在交互作用的问题，使得到的最佳工作參数点更加准确，提高了原子频标的短期稳定度；进ー步平衡了长期稳定度，提高了原子频标整机的稳定度。实施例2參见图2，本发明实施例2提供了ー种原子频标的短期稳定度參数优化的方法，该方法包括201 :设置多个工作參数点；姆个工作參数点包括多个实验点且姆个实验点之间对应不同的待优化參数，姆个待优化參数对应多个实验点且对应的实验点数量相同，与同一个待优化參数相对应的实验点均匀分布在待优化參数的取值范围内且包括取值范围的两端点，每两个工作參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參数点中出现的次数相等；该待优化參数包括调制深度、调制频率和微波功率。具体地，该步骤可以分为以下三步第一步确定待优化參数及各待优化參数的取值范围。如表I所示，在本实施例中，该待优化參数包括调制深度、调制频率和微波功率。其中，原子频标短期稳定度主要由量子系统的系数谱线的优值Q和信噪比決定。一方面，在长期稳定度的最优工作參数点确定的情况下，影响优值Q和信噪比的系统參数主要包括调制深度和调制频率。另ー方面，由于量子系统的物理机理的限制，为使最终获取的短期稳定度更加准确，在实施例中，还考虑到微波功率对短期稳定度的影响。其中，本实施例分别为调制深度、调制频率和微波功率确定ー个取值范围。调制深度的取值范围为250Hz 450Hz，调制频率的取值范围为79Hz 99Hz，微波功率的取值范围为-40dBm -30dBm。为姆ー个待优化參数确定ー个取值范围，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。其中，调制深度的取值应该小干物理系统中原子的线宽。而对于较窄线宽，取值范围为100Hz-500Hz。为方便均匀取值，本实施例选取了 250Hz 450Hz作为调制深度的取值范围。调制频率的取值应该避开市电50Hz的整数倍，本实施例选取了 79Hz 99Hz作为调制频率的取值范围。微波功率的取值范围要考虑信噪比及饱和增宽的影响，本实施例中微波功率的取值范围为-40dBm -30dBm。为方便说明，下文中分别用A、B和C表示调制深度、调制频率和微波功率。表I
权利要求
1.一种原子频标的短期稳定度參数优化的方法，其特征在于，所述方法包括 设置多个工作參数点；姆个所述工作參数点包括多个实验点且姆个所述实验点对应不同的待优化參数，姆个所述待优化參数对应多个实验点且对应的所述实验点数量相同，与同一个待优化參数相对应的实验点均匀分布在所述待优化參数的取值范围内且包括所述取值范围的两端点，每两个所述工作參数点中最多只有一个所述实验点相同，且各个所述实验点在所有所述工作參数点中出现的次数相等；所述待优化參数包括调制深度、调制频率和微波功率； 根据各所述工作參数点分别调节所述原子频标的调制深度、调制频率和微波功率； 计算各所述工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，井根据所述鉴频斜率选择最佳エ作參数点。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述调制深度的取值范围为250Hz 450Hz，所述调制频率的取值范围为79Hz 99Hz，所述微波功率的取值范围为 _40dBm _30dBm。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述计算各所述工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，井根据所述鉴频斜率选择最佳工作參数点，包括 调节输入至所述原子频标中压控晶振的压控电压的大小； 采集每次调节所述压控晶振后，所述原子频标的伺服电路同步鉴相后输出的量子纠偏电压信号，获得纠偏电压； 根据所述压控晶振的输出频率与所述量子纠偏电压信号得到鉴频斜率曲线，井根据所述鉴频斜率曲线计算各所述工作參数点对应的所述原子频标的鉴频斜率； 比较计算出的所有所述鉴频斜率，将鉴频斜率最大的工作參数点，作为与所述原子频标短期稳定度对应的所述最佳工作參数点。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述方法还包括 先改变所述原子频标的C场电流，再进ー步调节所述原子频标的所述微波功率，同时保持所述最佳工作參数点中除所述微波功率对应的实验点外的其余实验点不变；测量所述原子频标输出频率与标准时钟源的频率差值，井根据所述差值确定最佳工作參数点中对应所述微波功率的最优实验点、以及所述C场电流。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述C场电流的变化范围为lmA-2.5mA;所述微波功率的调节范围为所述最佳工作參数点中对应的微波功率与原子频标长期稳定度的最佳工作參数点中对应的微波功率之间；及 所述C场电流的改变量为0. 5mA ;所述微波功率的调节量为0. 5dBm。
6.ー种原子频标的短期稳定度參数优化的装置，其特征在于，所述装置包括 设置模块，用于设置多个工作參数点；每个所述工作參数点包括多个实验点且每个所述实验点对应不同的待优化參数，姆个所述待优化參数对应多个实验点且对应的所述实验点数量相同，与同一个待优化參数相对应的实验点均匀分布在所述待优化參数的取值范围内且包括所述取值范围的两端点，每两个所述工作參数点中最多只有一个所述实验点相同，且各个所述实验点在所有所述工作參数点中出现的次数相等；所述待优化參数包括调制深度、调制频率和微波功率； 调制深度调节模块，用于根据各所述工作參数点中对应调制深度的实验点，调节原子频标的综合器的调制深度； 调制频率调节模块，用于根据各所述工作參数点中对应调制频率的实验点，调节所述综合器的调制频率； 微波功率调节模块，用于根据各所述工作參数点中对应微波功率的实验点，调节输入至物理系统的微波信号的微波功率； 计算模块，用于计算各所述工作參数点对应的原子频标的鉴频斜率，并根据所述鉴频斜率选择最佳工作參数点； 所述设置模块分别与所述调制深度调节模块、所述调制频率调节模块、所述微波功率调节模块和所述计算模块相连；所述调制深度调节模块和所述调制频率调节模块分别与所述综合器相连；所述微波功率调节模块与所述原子频标的微波倍、混频相连；所述计算模块分别与所述原子频标的压控晶振和伺服电路相连。
7.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括C场电流调节模块， 所述C场电流调节模块与所述计算模块相连，用于改变所述原子频标的C场电流； 相应地，所述微波功率调节模块还用干， 在改变所述C场电流后，调节所述原子频标的所述微波功率； 相应地，所述计算模块还用于， 同时保持所述最佳工作參数点中除所述微波功率对应的实验点外的其余实验点不变，測量所述原子频标输出频率与标准时钟源的频率差值，井根据所述差值确定最佳工作參数点中对应所述微波功率的最优实验点、以及所述C场电流。
8.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括 调节单元，用于调节输入至所述原子频标中压控晶振的压控电压的大小； 采集单元，用于采集每次调节所述压控晶振后，所述原子频标的伺服电路同步鉴相后输出的量子纠偏电压信号，获得纠偏电压； 计算单元，用于根据所述压控晶振的输出频率与所述量子纠偏电压信号得到鉴频斜率曲线，井根据所述鉴频斜率曲线计算各所述工作參数点对应的所述原子频标的鉴频斜率；比较单元，用于比较计算出的所有所述鉴频斜率，将鉴频斜率最大的工作參数点，作为与所述原子频标短期稳定度对应的所述最佳工作參数点； 所述调节単元分别与所述压控晶振和所述计算単元相连；所述采集単元分别与所述伺服电路和所述计算単元相连；所述计算単元与所述比较単元相连。
9.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述计算模块包括计算机和微控制器。
10.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述装置还包括显示模块， 所述显示模块与所述计算模块相连，用于显示所述鉴频斜率和所述最佳工作參数点。
全文摘要
本发明公开了一种原子频标的短期稳定度参数优化的方法和装置，属于原子频标领域。方法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；待优化参数包括调制深度、调制频率和微波功率；根据各工作参数点分别调节调制深度、调制频率和微波功率；计算各工作参数点对应的原子频标的鉴频斜率，选择最佳工作参数点。本发明提高原子频标的短期稳定度。
文档编号H03L7/26GK102624387SQ20121008794
公开日2012年8月1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