专利名称：双泡式原子钟的制作方法
技术领域：
本发明属于原子频标技术领域，特别涉及一种双泡式原子钟。
背景技术：
原子频率标准以其超高的稳定度指标，已经应用在诸如卫星导航、时基授时、时间同步、国防军事等许多时频领域。考虑到上述应用领域的具体要求，尤其是野外作业对环境的苛刻要求，原子频标多变的外界环境，尤其是工作温度环境，而原子频标系统温度系数的存在一直都是该领域科研工作者研究的课题，外界环境温度的变化将会引起系统内部灯温、腔温等核心部件工作温度的变化，进一步造成原子超精细结构0-0跃迁频率的不稳定，最终影响系统频率输出的稳定性。为克服系统温度系数对频率稳定度指标的影响，现在大多数技术是通过将原子频标置入恒温的环境中，其温度控制范围可以小于0. 1° C，这样可以改善外界环境温度的变化对系统指标的影响。但原子钟出现跳变时不一定是由于内部物理系统环节造成的，我们需要在其内部设置一定的自动检测结构来完善整机的长短稳指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种双泡式原子钟，能够实现在原子标频技术中克服外界环境变化对整机输出信号频率产生的跳变影响。为解决上述技术问题，本发明提供了一种双泡式原子钟，包括中央处理器、第一闭环锁定模块、第二闭环锁定模块、压控使能模块及用于提供原子共振吸收线的物理控制单元；所述第一闭环锁定模块依次与所述物理控制单元、所述中央处理器连接；所述第二闭环锁定模块依次与所述物理控制单元、所述中央处理器连接，同时与外界用户端连接；所述压控使能模块一端与所述中央处理器连接，另一端与所述第二闭环锁定模块连接。进一步地，所述第一闭环锁定模块包括第一伺服、第一压控晶体振荡器、第一微波射频电路；所述第一伺服依次与所述中央处理器、所述第一微波射频电路、所述第一压控晶体振荡器、所述物理控制单元连接；所述第一微波射频电路依次与所述物理控制单元、所述第一压控晶体振荡器连接；所述第一压控晶体振荡器与所述中央处理器连接。进一步地，所述第二闭环锁定模块包括第二伺服、第二压控晶体振荡器、第二微波射频电路；所述第二伺服依次与所述中央处理器、所述第二微波射频电路、所述物理控制单元连接；所述第二微波射频电路依次与所述物理控制单元、所述第二压控晶体振荡器连接；所述第二压控晶体振荡器通过所述压控使能模块与所述中央处理器连接，同时与外界用户端连接。进一步地，所述物理控制单元包括光抽运谱灯、共振探测单元、微波源；所述光抽运谱灯是由射频源激励发光；所述共振探测单元与所述微波源连接。进一步地，所述光抽运谱灯是无极放电的铷灯，其灯泡内还充有气体M。进一步地，所述共振探测单元包括微波腔、磁场线圈、至少一个耦合环、集成滤光共振单元、至少一块光电池、恒温单元、磁屏单元；所述集成滤光共振单元置于所述微波腔内部；所述集成滤光共振单元通过所述耦合环与所述微波源进行信号传递；所述磁场线圈缠绕在所述微波腔外壁上；所述光电池设置在所述微波腔内部；所述磁屏单元置于所述微波腔外部，用于屏蔽磁场信号的干扰；所述恒温单元置于所述微波腔与所述磁屏单元之间，用于稳定所述微波腔内工作环境温度。进一步地，所述集成滤光共振单元包括第一集成滤光共振吸收泡、第二集成滤光共振吸收泡、金属板；所述第一集成滤光共振吸收泡、所述第二集成滤光共振吸收泡依次置于所述微波腔内；所述金属板设置在所述第一集成滤光共振吸收泡、所述第二集成滤光共振吸收泡之间。进一步地，所述第一集成滤光共振吸收泡、所述第二集成滤光共振吸收泡呈泡状腔体结构，且二者形状、结构、尺寸完全相同。进一步地，所述第一集成滤光共振吸收泡、所述第二集成滤光共振吸收泡内部均充有用于原子在磁场作用下共振吸收的A元素、所述A元素的同位素B元素、惰性气体C ；所述第一集成滤光共振吸收泡中A元素含量、B元素含量、气体C含量分别与所述第二集成滤光共振吸收泡中A元素含量、B元素含量、气体C含量对应相同。进一步地，所述气体M是氪气；所述A元素是87Rb,所述B元素是85Rb,所述气体C是IS气。本发明提供的一种双泡式原子钟，包括中央处理器、第一闭环锁定模块、第二闭环锁定模块、压控使能模块及用于提供原子共振吸收线的物理控制单元。其中，第一闭环锁定模块依次与物理控制单元、中央处理器连接；第二闭环锁定模块依次与物理控制单元、中央处理器连接，同时与外界用户端连接；压控使能模块一端与所述中央处理器连接，另一端与所述第二闭环锁定模块连接。本发明通过在物理控制单元中设置性能完全相同集成滤光共振吸收泡，构建两组微波激励结构实现整个原子频标系统的闭环锁定。并通过设置压控使能模块对第二压控晶体振荡器进行控制，实现在原子标频技术中克服外界环境变化对整机输出信号频率产生的跳变影响。
图1为本发明实施例提供的双泡式原子钟整体结构示意图。图2为本发明实施例提供的双泡式原子钟中物理控制单元原理结构示意图。其中，1-光抽运谱灯,2-光电池,3-稱合环,4-微波腔,5-磁场线圈,6-金属板，7-恒温单元，8-磁屏单元，101-第一集成滤光共振吸收泡，102-第二集成滤光共振吸收泡，103-微波源，201-用户端，202-中央处理器，203-第一压控晶体振荡器，204-第二压控晶体振荡器，205-压控使能模块,206-第一伺服,207-第一微波射频电路,208-第二微波射频电路，209-第二伺服，210-物理控制单元。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明提供的具体实施方式
作进一步详细说明。参见图1-2，本发明实施例提供的一种双泡式原子钟，包括中央处理器202、第一闭环锁定模块、第二闭环锁定模块、压控使能模块205及用于提供原子共振吸收线的物理控制单元210。其中，第一闭环锁定模块依次与物理控制单元210、中央处理器202连接。第二闭环锁定模块也依次与物理控制单元210、中央处理器202连接。同时，第二闭环锁定模块还与外界用户端201连接。压控使能模块205 —端与中央处理器202连接，另一端与第二闭环锁定模块连接。本实施例中，第一闭环锁定模块包括第一伺服206、第一压控晶体振荡器203、第一微波射频电路207。其中，第一伺服206依次与中央处理器202、第一微波射频电路207、第一压控晶体振荡器203、物理控制单元210连接。第一微波射频电路207依次与物理控制单元210、第一压控晶体振荡器203连接。第一压控晶体振荡器203与中央处理器202连接。本实施例中，第二闭环锁定模块包括第二伺服209、第二压控晶体振荡器204、第二微波射频电路208。其中，第二伺服209依次与中央处理器202、第二微波射频电路208、物理控制单元210连接。第二微波射频电路208依次与物理控制单元210、第二压控晶体振荡器204连接。第二压控晶体振荡器204通过压控使能模块205与中央处理器202连接，同时还与外界用户端201连接。本实施例中，物理控制单元包括光抽运谱灯1、共振探测单元、微波源103。其中，光抽运谱灯I是无极放电的铷灯，并且由射频源激励发光。其灯泡内还充有用于激发电位低的惰性启辉气体M。优选地，气体M是氪气或氩气。同时，共振探测单元与微波源103连接。本实施例中，共振探测单元包括微波腔4、磁场线圈5、至少一个耦合环3、集成滤光共振单元、至少一块光电池2、恒温单元7、磁屏单元8。其中，集成滤光共振单元置于微波腔4内部。同时，集成滤光共振单元通过耦合环3与微波源103进行信号传递。优选地，耦合环3的个数是2个，微波源103的个数也是2个，且每个耦合环3与每个微波源103连接关系 对应。磁场线圈5缠绕在微波腔4外壁上。光电池2设置在微波腔4内部。磁屏单元8置于微波腔4外部，用于屏蔽磁场信号的干扰。优选地，磁屏单元7是由特殊材质构成的金属罩。恒温单元7置于微波腔4与磁屏单元8之间，用于稳定微波腔4内工作环境温度。优选地，光电池2选择在800nm处有较好灵敏度的硅光电池，作为集成滤光共振单元透射光的探测器。本实施例中，集成滤光共振单元包括第一集成滤光共振吸收泡101、第二集成滤光共振吸收泡102、金属板6。其中，第一集成滤光共振吸收泡101、第二集成滤光共振吸收泡102依次置于微波腔4内。金属板6设置在第一集成滤光共振吸收泡101、第二集成滤光共振吸收泡102之间，用于避免第一集成滤光共振吸收泡101、第二集成滤光共振吸收泡102左右两个微波场辐射相互干扰的影响。第一集成滤光共振吸收泡101、第二集成滤光共振吸收泡102呈泡状腔体结构，二者形状、结构、尺寸完全相同。同时，二者中均充有用于原子在磁场作用下共振吸收的A元素、A元素的同位素B元素、惰性气体C。并且第一集成滤光共振吸收泡101中A元素含量、B元素含量、气体C含量分别与第二集成滤光共振吸收泡102中A元素含量、B元素含量、气体C含量对应相同。优选地,A元素是87Rb, B元素是85Rb,气体c是IS气。本实施例中，磁场线圈5的主要作用是产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴，同时通过调节磁场线圈5电流的大小，改变磁场的强度，微调系统的输出频率。本实施例中，微波腔4的主要作用是为原子的微波共振提供合适的微波场，通过耦合环3将外部微波源103提供的微波信号引入腔体中。同时受恒温单元7控制，为集成滤光共振单元提供温度恒定的工作环境。本实施例主要应用于原子频标领域，其中，物理控制单元210是原子频标的核心单元，物理控制单元210提供一个频率稳定、线宽较窄的原子共振吸收线，原子频标正是通过将压控晶体振荡器的输出频率锁定在原子共振吸收峰上而获得高稳频率输出。同时，在被动型铷原子频标中，电子线路(参见图1所示)主要作用是产生源于石英晶体振荡器的微波探询信号，并将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0 — 0跃迁频率上。而压控晶体振荡器是激励微波场的初始信号源，并提供标准频率输出，其振荡频率受伺服纠偏电压控制，对原子频标而言，它的相位噪声决定了伺服环路带宽以外的输出信号的相噪特性。原子频标中87Rb原子跃迁频率为6834. 687X X X XMHz，为了实现共振探询和同步检测，必须通过将微波探询信号调到原子共振跃迁频率中心频率上，同时通过综合给微波信号加上一个低频小调制。伺服(206、209)将物理控制单元210输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制对应压控晶体振荡器(203、204)的输出频率，进而完成对应环路的锁定。本实施例提供的双泡式原子钟，在物理控制单元210中设置性能完全相同的第一集成滤光共振吸收泡101、第二集成滤光共振吸收泡102，并构建两组微波激励结构，结合外围两组电路实现整个原子频标系统的闭环锁定。这相当于在一个体系中提供了两个完全一样的原子频标，所以当外界环境变化，诸如温度的变化，电磁辐射干扰等这两个系统都应该得到一样的反映。本实施例正是利用这一点，在附图1电子线路结构中设置压控使能模块205，本实施例提供的双泡式原子钟工作原理如下在压控使能模块205受中央处理器202控制正常工作的前提下，第二压控晶体振荡器204、第二微波射频电路208、第二伺服209与物理控制单元按照传统原子钟技术完成整机的闭环锁定过程。同理，第一压控晶体振荡器203、第一微波射频电路207、第一伺服206与物理控制单元210按照传统原子钟技术也完成整机的闭环锁定过程。这两个闭环锁定过程不同的是，第一闭环锁定模块中第一压控晶体振荡器203直接受第一伺服206输出的电压进行纠偏，而第二闭环锁定模块中的第二压控晶体振荡器204需要经中央处理器204比较第一伺服206、第二伺服209的电压，使压控使能模块205后方进行纠偏。相当于第一闭环锁定模块运行的是实时闭环锁定过程，而第二闭环锁定模块运行是非实时的。本发明实施例提供的一种双泡式原子钟，其优点在于S1:假如由于外界环境影响，造成上述原子频标物理控制单元210中心频率发生跳变，这时跳变通过第一伺服206、第二伺服209产生的纠偏电压输送至中央处理器202，同时第一伺服206还直接传输至第一压控晶体振荡器203,完成第一闭环锁定模块中的闭环锁定过程。中央处理器202判断第一伺服206与第二伺服209产生的纠偏电压造成的对应压控晶体振荡器拉偏程度是否一致，如果一致，例如1E-10量级，即可以判断此时物理控制单元210被外界影响，那么对于稳定度为1E-11量级原子频标，显然这样的拉偏将会造成原子频标系统输出信号频率发生跳变，此时中央处理器202将阻止压控使能模块205工作，让第二压控晶体振荡器204输出自身的频率，以维持此时刻整机频率稳定度。从而克服外界环境干扰影响对整机输出信号频率的跳变影响。S2 :鉴于SI工作原理，整个原子频标如果选用短期稳定度高的压控晶体振荡器，那么通过设置中央处理器202中的伺服电压拉偏量，将使系统在出现对短稳不利的跳变时(例如由于本身电子线路问题而产生的跳变)，不对压控晶体振荡器进行纠偏，沿用高稳的压控晶体振荡器指标，此时与第二压控晶体振荡器204连接的用户端201所显示的数值稳定。而由于外界环境等诸多因素所造成的长期频率漂移，通过物理控制单元210沿用SI工作原理对第一压控晶体振荡器203、第二压控晶体振荡器204的纠偏进行修正。这样就能实现原子频标整机体系内的长短稳兼优的目标。最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种双泡式原子钟，其特征在于，包括中央处理器(202)、第一闭环锁定模块、第二闭环锁定模块、压控使能模块(205)及用于提供原子共振吸收线的物理控制单元(210)； 所述第一闭环锁定模块依次与所述物理控制单元(210)、所述中央处理器(202)连接；所述第二闭环锁定模块依次与所述物理控制单元(210)、所述中央处理器(202)连接，同时与外界用户端(201)连接； 所述压控使能模块(205) —端与所述中央处理器(202)连接，另一端与所述第二闭环锁定模块连接。
2.根据权利要求1所述双泡式原子钟，其特征在于，所述第一闭环锁定模块包括第一伺服(206 )、第一压控晶体振荡器(203 )、第一微波射频电路(207 )； 所述第一伺服(206)依次与所述中央处理器(202)、所述第一微波射频电路(207)、所述第一压控晶体振荡器(203)、所述物理控制单元(210)连接； 所述第一微波射频电路(207)依次与所述物理控制单元(210)、所述第一压控晶体振荡器(203)连接； 所述第一压控晶体振荡器(203)与所述中央处理器(202)连接。
3.根据权利要求2所述双泡式原子钟，其特征在于，所述第二闭环锁定模块包括第二伺服(209)、第二压控晶体振荡器(204)、第二微波射频电路(208); 所述第二伺服(209)依次与所述中央处理器(202)、所述第二微波射频电路(208)、所述物理控制单元(210)连接； 所述第二微波射频电路(208)依次与所述物理控制单元(210)、所述第二压控晶体振荡器(204)连接； 所述第二压控晶体振荡器(204)通过所述压控使能模块(205)与所述中央处理器(202)连接，同时与外界用户端(201)连接。
4.根据权利要求1-3任一项所述双泡式原子钟，其特征在于，所述物理控制单元包括光抽运谱灯(I)、共振探测单元、微波源(103)； 所述光抽运谱灯(I)是由射频源激励发光； 所述共振探测单元与所述微波源(103)连接。
5.根据权利要求4所述双泡式原子钟，其特征在于 所述光抽运谱灯(I)是无极放电的铷灯，其灯泡内还充有气体M。
6.根据权利要求5所述双泡式原子钟，其特征在于，所述共振探测单元包括微波腔(4)、磁场线圈(5)、耦合环(2)、集成滤光共振单元、至少一块光电池(3)、恒温单元(7)、磁屏单元(8)； 所述集成滤光共振单元置于所述微波腔(4)内部； 所述集成滤光共振单元通过所述耦合环(2)与所述微波源(4)进行信号传递； 所述磁场线圈(5)缠绕在所述微波腔(4)外壁上； 所述光电池(3)设置在所述微波腔(4)内部； 所述磁屏单元(8)置于所述微波腔(4)外部，用于屏蔽磁场信号的干扰； 所述恒温单元(7 )置于所述微波腔(4 )与所述磁屏单元(8 )之间，用于稳定所述微波腔(4)内工作环境温度。
7.根据权利要求6所述双泡式原子钟，其特征在于，所述集成滤光共振单元包括第一集成滤光共振吸收泡(101)、第二集成滤光共振吸收泡(102)、金属板(6)； 所述第一集成滤光共振吸收泡(101 )、所述第二集成滤光共振吸收泡(102)依次置于所述微波腔(4)内； 所述金属板(6)设置在所述第一集成滤光共振吸收泡(101)、所述第二集成滤光共振吸收泡(102)之间。
8.根据权利要求7所述双泡式原子钟，其特征在于 所述第一集成滤光共振吸收泡(101 )、所述第二集成滤光共振吸收泡(102)呈泡状腔体结构，且二者形状、结构、尺寸完全相同。
9.根据权利要求8所述双泡式原子钟，其特征在于 所述第一集成滤光共振吸收泡(101)、所述第二集成滤光共振吸收泡(102)内部均充有用于原子在磁场作用下共振吸收的A元素、所述A元素的同位素B元素、惰性气体C ； 所述第一集成滤光共振吸收泡(101)中A元素含量、B元素含量、气体C含量分别与所述第二集成滤光共振吸收泡(102)中A元素含量、B元素含量、气体C含量对应相同。
10.根据权利要求9所述双泡式原子钟，其特征在于 所述气体M是氪气；所述A元素是87Rb,所述B元素是85Rb,所述气体C是氩气。
全文摘要
本发明公开了一种双泡式原子钟，包括中央处理器、第一闭环锁定模块、第二闭环锁定模块、压控使能模块及用于提供原子共振吸收线的物理控制单元。其中，第一闭环锁定模块依次与物理控制单元、中央处理器连接；第二闭环锁定模块依次与物理控制单元、中央处理器连接，同时与外界用户端连接；压控使能模块一端与所述中央处理器连接，另一端与所述第二闭环锁定模块连接。本发明通过在物理控制单元中设置性能完全相同集成滤光共振吸收泡，构建两组微波激励结构实现整个原子频标系统的闭环锁定。并通过设置压控使能模块对第二压控晶体振荡器进行控制，实现在原子标频技术中克服外界环境变化对整机输出信号频率产生的跳变影响。
文档编号H03L7/26GK103067004SQ20121055121
公开日2013年4月24日 申请日期2012年12月17日 优先权日2012年12月17日
发明者雷海东 申请人:江汉大学