基于卡尔曼滤波和/或DFB的激光芯片原子钟及实现方法
本发明属于相干布居数囚禁cpt效应小型芯片原子频标技术领域，涉及铯/铷原子芯片原子钟，尤其涉及一种基于卡尔曼滤波控温与控频和/或高速直调dfb(distributedfeedbacklaser，即分布式反馈激光器)的激光芯片原子钟及其实现方法。
背景技术：
原子钟的精密测量精度代表着所有各种量值测量的最高精度水平。尤其作为精确计时仪器和频率标准，原子钟在全球卫星导航定位、深空天文观测、精密仪器仪表测准和基础科学探索等不同学科有着非常广泛的普及化应用。目前国际上绝大部分应用的原子钟，存在体积大、功耗高、价格昂贵等多种限制。为此，国内外有不少研究单位，前后开展了基于相干布居数囚禁cpt效应小型芯片原子钟研究和产品化。由于利用对激光器直接进行快速直接调制来实现这样的cpt芯片原子钟，不需要微波腔腔体，比如利用了对vcsel激光器快速直接调制，所以具有整体体积小、功耗低和成本低的巨大市场推广应用的特殊优势，在5g通信，星链卫星，物联网高速数据交换设备，智能电网，卫星导航定位系统、高速通信导航定位及守时授时设备和无人驾驶汽车、无人机等不同社会应用领域，都具有极大发展潜力的市场前景。
芯片原子钟的突出优势特点是整体结构简单，基本构成包括vcsel激光器、原子气室部件和综合电路及控制部件组成。芯片原子钟的输出频率，决定于铷/铯原子的基态超精细能级之间的跃迁频率，在量子原理上使得芯片原子钟的输出频率，具有相对于各种会漂移的晶体振荡器的频率输出，有着非常优异的高稳高准的优势。尤其是在长期使用的场景时，其高性能的频率稳定度，可以给用户提供频率稳定度比目前的晶振精度高了几个数量级的优势。
但是，反过来，整个芯片原子钟由于其体积很小，所以其能够提供的热容也小了几个数量级，这样的话，同时带来的劣势也非常明显，那就是整个芯片原子钟对于环境温度的变化极其敏感，难以控制到非常高的精度。这样的极端温度敏感性，带来了对芯片原子钟的温度特性和长期性能的限制，第一，芯片原子钟整体小体积热容过小，加上vcsel激光器的温度漂移特性过大，使其温度特性和长期性能受限制；第二，直接影响了为整个芯片原子钟提供频率稳定、窄线宽原子吸收线的量子参考频率，也就是物理部件中的原子气室内部的特性；同时，第三，小热容带来的极端温度敏感性，也通过影响vcsel激光器的频率漂移和综合电路及控制部件，从而影响最终的芯片原子钟的输出频率稳定度。具体例子包括[中国发明专利号：201010248337]公开的相干布居数囚禁原子钟，其单层碱金属原子气泡的热隔离效果差，因此环境的温度波动变化，就极易造成气室内原子的温度漂移，限制相干布局数囚禁原子钟的中长期频率稳定度指标的提升。
目前芯片原子钟温度的漂移性能上存在几个困难问题：第一个问题是，vcsel激光器的温度漂移特性过大，带来的容易受环境温度参数波动影响，甚至几个月半年以后芯片原子钟不能工作；第二个问题是，被控温的芯片原子钟气室温度在控制过程中，相对于目标温度总是存在一定的剩余偏差，导致芯片原子钟气室的温度会以一定的波动跟随环境温度变化而变化，从而引起系统最终的输出频率也以同样的关联模式而波动变化；第三个问题是目前对于温度控制存在的剩余偏差普遍采用pid控制(即比例proportion、积分integral、微分differential控制)，但是这种控制方法可调参数少，并且没有相应的数学模型进行参考，对于不同系统、不同环境的适应性较差，经常需要根据环境或者系统的变化来在线调整pid参数，不能实现自动控制，所以在很大程度上限制了控温的精确程度。上述芯片原子钟温度的漂移性能上存在的几个困难问题会恶化和限制相干布局数囚禁芯片原子钟的中长期频率稳定度指标、以及引起激光失锁不能工作。
芯片原子钟虽然具有体积小、功耗低耗和稳定性较好的优势，但其中长期频率稳定度指标一直有待提高，是个国际性瓶颈难题。困难在于芯片原子钟的温度控制技术，仍然不足以保证芯片原子钟的输出频率到达真正的量子特性。为了克服上述困难，最近提出的一种解决方案是，利用真空绝热微型原子气室的保温原理，由两层气室之间的真空层断绝气室内与气室外的热交换，确保气室内原子的温度稳定性。国内外普遍的做法是，对其部件如vcsel激光器、原子气室等进行隔热、控温的处理。比如，一方面，利用低温度漂移系数的改进后高速直调干涉型vcsel激光器[中国发明专利申请号201910537715.3]，以及低温度漂移系数的高速直调集成干涉共振半导体激光器[中国发明专利申请号201910284622.4]，以此来改善芯片原子钟的激光温度特性；另一种做法[中国发明专利申请号：202011294671.5]是，通过设计利用了新的真空绝热结构来改善微型原子气室温度漂移的问题；其他技术包括[中国发明专利申请号：201711235817]公开的是基于复眼式堆叠密集型多泡结构的原子气室中通过大量极小尺寸的微原子泡之间独立泡参数的总体平均来降低和消除气室的温度漂移；[专利号：jp2017011680a]公开的原子振荡器中，关于原子气室温控的方法是在碱金属气室的外部设置多个测温元件的控制结构，利用测量温度元件之间的温度差来抑制环境温度的变化引起的气室内原子的温度变化。
另一方面，dfb激光利用了内置式光栅分布反馈，对外界环境的温度变化不敏感，高速直调dfb激光已经普遍应用于激光通信上，dfb激光高速直接调制频率已经超出10ghz，足以满足芯片原子钟的直调要求，所以，相比于vcsel激光来说，高速直调dfb激光在温度特性上能实现更好温度特性的芯片原子钟；此外，卡尔曼滤波控制技术已经被利用在卫星接收秒信号对原子频标的驯服、不同原子钟之间原子钟钟差预测的改进等方面，然而，现有技术尚未出现将卡尔曼滤波控制技术应用于原子钟内部本身，尤其是对于芯片原子钟的具有外部环境特性参数敏感的气室、激光器等温度变化以及整体频率控制上有效应用的技术方案。
技术实现要素：
为了克服上述现有技术存在的不足，针对芯片原子钟中由于传统的隔热控温技术存在剩余误差而导致其对应钟跃迁频率的输出钟信号的频率漂移的技术问题，本发明首次提供一种基于卡尔曼滤波控温与控频的和/或高速直调dfb激光器的芯片原子钟及实现方法，能够克服由于芯片原子钟极小体积小热容、vcsel激光器的温度漂移特性过大带来的容易受环境温度参数波动影响、限制芯片原子钟中长期稳定度的缺陷。
本发明提出的基于卡尔曼滤波控温与控频的和/或高速直调dfb激光芯片原子钟及实现方法，首次创新地在芯片原子钟的初始设计上，引入应用低温度漂移系数的高速直调dfb激光，在激光器、气室、和整机温度和频率控制中引入卡尔曼滤波的技术，使得环境的温度变化，在很大程度和范围内将芯片原子钟核心部分的绝对温度特性提升、控制得更加稳定，从而使得芯片原子钟的输出频率更加稳定，达到芯片原子钟的中长期频率稳定度指标得到较大的提升的技术效果。本发明提出的基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟具体采用以下技术：一方面，本发明引入应用低温度漂移系数的高速直调dfb激光，并在原来传统的温度控制基础上，结合了卡尔曼滤波原理，将芯片原子钟的温度控制，更加接近于设置的绝对温度值，极大地将温度变化导致芯片原子钟输出频率的变化通过卡尔曼滤波原理控制到更加稳定和精确的程度，特别是对中长期稳定度有着显著的提高；另一方面，本发明同时直接对芯片原子钟的输出频率进行卡尔曼滤波原理控制，提供具体的实施方法。
本发明首次对原子芯片原子钟应用低温度漂移系数的高速直调dfb激光和/或卡尔曼滤波原理，控制其温度和输出频率，进而极大地提高相干布局数囚禁芯片原子钟的中长期频率稳定度，创新性地构成性能优越的、新颖的原子芯片原子钟。
本发明提供的技术方案包括：一种基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟及其实现方法、一种基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟及其实现方法、一种基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟及其实现方法。
本发明提出了一种基于高速直调dfb激光器芯片原子钟及其实现方法。传统的芯片原子钟普遍采用vcsel激光器，但由于其对温度十分敏感，温度漂移特性过大，极易受环境温度参数波动影响，限制了芯片原子钟的中长期稳定度指标，所以本专利采用了新型的高速直调dfb激光器，在普通dfb激光器的基础上，缩短了其结构中增益介质的长度，从而加快了激光器的响应速度，极大地提高了调制速率，目前已经超过10ghz。同时其采用的内置式光栅分布反馈有着很好的选频特性，所以极大程度降低了系统对于环境温度的敏感程度，从而使得芯片原子钟的中长期稳定度指标得到了很大程度的提高。在结构上，基于高速直调dfb激光器芯片原子钟系统包括：高速直调dfb激光器、原子气室、综合电路控制系统；其中原子气室可以是真空绝热结构微型原子气室，但不限于此。本发明中的高速直调dfb激光器，同时也适合利用其他不同类型的高速直调激光器，包括高速直调集成干涉共振半导体激光器、高速直调bdr激光器、通过在传统的vcsel激光器出光口加上具有选模作用的干涉滤光片(或光栅滤光片)，所得到的改进的干涉型vcsel激光器等。
本发明提出一种基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟实现方法，具体包括如下步骤：
1)高速直调dfb激光器发出激光信号，经聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片后射入原子气室；
2)激光信号与原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器接收，通过带通滤波器分离出两个时域上的叠加信号，分别为微波信号和直流信号，将它们分别传递给dc调制解调模块和微波调制解调模块；
3)对于微波环路频率，通过微波调制解调模块对低通滤波器从时域叠加信号中分离出的微波信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器，通过配置锁相环模块使输出的微波频率与晶体振荡器的频率完成相位锁定；
4)对于直流环路频率，通过与dc调制解调模块对低通滤波器从时域叠加信号中分离出的直流信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给伺服控制模块；
5)伺服控制模块将鉴频信号传递给bias-tee模块进行耦合后反馈给高速直调dfb激光器，实现对高速直调dfb激光器的稳频控制。
具体实施时，采用上述方法实现的基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟中，高速直调dfb激光器为新型的高速直调dfb激光器，在普通dfb激光器的基础上，缩短了其结构中增益介质的长度，从而加快了激光器的响应速度，极大地提高了调制速率，目前已经超过10ghz。同时其采用的内置式光栅分布反馈有着很好的选频特性，极大程度降低了系统对于环境温度的敏感程度，从而使得芯片原子钟的中长期稳定度指标得到了很大程度的提高。
在结构上，基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟包括物理系统和电路控制系统，其中物理系统包括：原子气室、高速直调dfb激光器、聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片、高速光电探测器；电路控制系统包括：带通滤波器、dc调制解调模块、伺服控制模块、微波调制解调模块、晶体振荡器、锁相环模块、bias-tee模块。
上述基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟工作时，高速直调dfb激光器发出激光信号，经聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片后射入原子气室；以下以铷原子钟为例进行说明。激光信号与铷原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器接收，光电探测器测得的信号为激光环路频率和微波环路频率在时域上的叠加信号，通过带通滤波器分离两个信号，分别传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块和微波调制解调模块，通过调制、解调得到的鉴频信号传递给伺服控制模块，接着伺服控制模块将鉴频信号传递给bias-tee模块与微波环路的信号进行耦合后反馈给高速直调dfb激光；
对于微波环路频率，探测器输出的复合时域信号经滤波后传递给微波调制解调模块，通过调制解调得到的微波鉴频信号传递给晶体振荡器，通过配置锁相环模块使输出的微波频率与晶体振荡器的频率完成相位锁定。
本发明提出一种基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟实现方法，具体包括如下步骤：
1)激光器发出激光信号，经聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片后射入带有卡尔曼滤波温度控制和磁屏蔽结构的原子气室；
2)通过温度控制卡尔曼滤波器对激光器和原子气室进行基于卡尔曼滤波的温度控制，温度控制过程与基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟当中所提到的方法一致，此处不再赘述；
3)激光信号与原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器接收，通过带通滤波器分离出两个时域上的叠加信号，分别为微波信号和直流信号，将它们分别传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块和微波调制解调模块；
4)对于微波环路频率，通过微波调制解调模块对低通滤波器从时域叠加信号中分离出的微波信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器，通过配置锁相环模块使输出的微波频率与晶体振荡器的频率完成相位锁定；
5)对于直流环路频率，通过与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块对低通滤波器从时域叠加信号中分离出的直流信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给用于频率控制的卡尔曼滤波模块(或称频率控制卡尔曼滤波器)，对其进行卡尔曼滤波处理，从而得到更加稳定、准确的鉴频信号，其中，对于频率控制的卡尔曼滤波器的工作过程与步骤2)中温度控制卡尔曼滤波器工作过程一致，此处不再赘述；
6)经过卡尔曼滤波处理的鉴频信号经与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块传递给bias-tee模块后反馈给激光器，实现对激光器的稳频控制。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟实现方法中，步骤2)中的温度控制卡尔曼滤波器与步骤6)中的用于频率控制的卡尔曼滤波模块的滤波方法可以采用指数平滑预测、回归算法、贝叶斯估计等方法。
进一步，上述基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟实现方法具体实施所采用激光器可以是高速直调dfb激光器，同时也可以采用其他不同类型的高速直调激光器，包括高速直调集成干涉共振半导体激光器、高速直调bdr激光器、改进的干涉型vcsel激光器等，都适用于上述基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟实现方法。
本发明还提供一种基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法，具体包括如下步骤：
1)高速直调dfb激光器发出激光信号，经聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片后射入带有卡尔曼滤波温度控制和磁屏蔽结构的原子气室；
2)通过温度控制卡尔曼滤波器对高速直调dfb激光器和原子气室进行基于卡尔曼滤波的温度控制，包括如下过程；
21)首先确定温度控制卡尔曼滤波器的状态方程和测量方程表达式：t(k+1)＝φt(k)+w(k)，y(k)＝ht(k)+v(k)，其中t(k)为系统自身的温度状态状态方程，y(k)为温度的测量方程，φ为状态转移矩阵，w(k)为芯片原子钟系统噪声，v(k)为观测噪声；
22)通过温度控制卡尔曼滤波器进行温度状态预测，再对预测状态进行更新；
预测温度状态的过程公式为
再对预测温度状态进行更新，更新公式为：k(k+1)＝p(k+1|k)ht[hp(k+1|k)ht+r]-1，
23)将k+1时刻温度的最优值作为下一时刻温度的目标值，传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块，进行比例积分微分控制，每秒更新一次，如此循环往复直至控温过程结束；
3)激光信号与原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器接收，通过带通滤波器分离出两个时域上的叠加信号，分别为微波信号和直流信号，将它们分别传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块和微波调制解调模块；
4)对于微波环路频率，通过微波调制解调模块对低通滤波器从时域叠加信号中分离出的微波信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器，通过配置锁相环模块使输出的微波频率与晶体振荡器的频率完成相位锁定；
5)对于直流环路频率，通过与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块对低通滤波器从时域叠加信号中分离出的直流信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给用于频率控制的卡尔曼滤波模块(或称频率控制卡尔曼滤波器)，对其进行卡尔曼滤波处理，从而得到更加稳定、准确的鉴频信号，其中，对于频率控制的卡尔曼滤波器的工作过程与步骤2)中温度控制卡尔曼滤波器工作过程一致，此处不再赘述；
6)经过卡尔曼滤波处理的鉴频信号经与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块传递给bias-tee模块后反馈给高速直调dfb激光器，实现对高速直调dfb激光器的稳频控制。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法中，步骤2)中的温度控制卡尔曼滤波器与步骤6)中的用于频率控制的卡尔曼滤波模块的滤波方法可以采用指数平滑预测、回归算法、贝叶斯估计等方法。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法中，对于温度控制卡尔曼滤波器，其状态方程和测量方程表达式为：
t(k+1)＝φt(k)+w(k)
y(k)＝ht(k)+v(k)
其中，t(k)为芯片钟系统自身的温度状态状态方程，y(k)为芯片钟系统温度的测量方程，φ为状态转移矩阵，h为观测矩阵,w(k)为芯片钟系统噪声，v(k)为芯片钟的测量噪声，其对应的方差分别为q、r，其值通过芯片钟元器件的噪声来具体确定；
温度控制卡尔曼滤波器的实现过程分为预测和更新两个过程，预测过程的公式为：
p(k+1|k)＝φp(k|k)φt+γqγt(2)
其中，(1)为由k时刻得到芯片钟的k+1时刻温度的预测值，(2)为由k时刻得到芯片钟的k+1时刻温度协方差预测值，得到预测值之后对温度控制卡尔曼滤波器进行状态的更新，更新的方程为：
k(k+1)＝p(k+1|k)ht[hp(k+1|k)ht+r]-1(3)
p(k+1)＝[1-k(k+1)h]p(k+1|k)(5)
其中，(3)为芯片钟卡尔曼增益公式，(4)为状态更新后k+1时刻芯片钟温度的最优值，(5)为状态更新后k+1时刻芯片钟的温度误差协方差；
最后，将(4)中k+1时刻芯片钟的激光和气室温度的最优值作为下一时刻的目标值，传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块，进行比例积分微分控制，每秒更新一次，如此循环往复直至控温过程结束。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法中，卡尔曼滤波频率控制的实现方法包括如下过程：
首先系统初始的频率状态方程为：
f(k+1)＝φf(k)+w(k)
z(k)＝hf(k)+v(k)
其中，f(k)为芯片钟系统自身的频率状态状态方程，z(k)为芯片钟系统频率的测量方程，与温度控制过程的方程类似，φ为状态转移矩阵，h为观测矩阵,w(k)为系统噪声，v(k)为测量噪声，其对应的方差分别为q、r；
与卡尔曼滤波温度控制不同，卡尔曼滤波频率控制的预测方程为：
卡尔曼滤波频率控制的频率更新方程为：
其他方程与卡尔曼滤波温度控制的方程一致；经过不断迭代更新卡尔曼滤波频率控制的频率，由此实现将高速直调dfb激光的直流电流锁定在原子与激光获得cpt共振信号的频率处，从而提高芯片原子钟的系统频率稳定度指标。
进一步，上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法具体实施所采用的原子为铷原子；但采用铷原子仅作为一种思路参考，具体实施环节并不仅限于铷原子，铯原子等碱金属同样适用于本发明中的方法。
上述一种基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟中，基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟包括物理系统和电路控制系统，其中物理系统包括：带卡尔曼滤波温度控制和磁屏蔽结构的原子气室、带卡尔曼滤波温度控制低温度漂移系数高速直调dfb激光器、聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片、高速光电探测器和带卡尔曼滤波的激光和原子气室的控温系统；带卡尔曼滤波的激光和原子气室的控温系统(或称带独立卡尔曼滤波器的激光和原子气室温度控制系统、温度控制卡尔曼滤波器)包括：温度电源、带独立的卡尔曼滤波功能接口的激光和原子气室加热装置、与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块、卡尔曼滤波模块；电路控制系统包括：带通滤波器、与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块、卡尔曼滤波模块、与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块、微波调制解调模块、晶体振荡器、锁相环模块、bias-tee模块。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟工作时，高速直调dfb激光器发出激光信号，经聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片后射入带有卡尔曼滤波温度控制和磁屏蔽结构的原子气室；以下以铷原子钟为例进行说明。激光信号与铷原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器接收，光电探测器测得的信号为激光环路频率和微波环路频率在时域上的叠加信号，通过带通滤波器分离两个信号，分别传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块和微波调制解调模块，通过调制、解调得到的鉴频信号传递给卡尔曼滤波模块对其进行卡尔曼滤波处理，从而得到更加稳定、准确的鉴频信号，信号经与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块后传递给bias-tee模块与微波环路的信号进行耦合后反馈给高速直调dfb激光；
对于微波环路频率，探测器输出的复合时域信号经滤波后传递给微波调制解调模块，通过调制解调得到的微波鉴频信号传递给晶体振荡器，通过配置锁相环模块使输出的微波频率与晶体振荡器的频率完成相位锁定；
由于激光器具有温度漂移特性、铷原子气室的温度变化会使得原子数密度、原子气室的压强发生变化，从而使得cpt共振谱线的幅度和线宽发生变化，进而影响cpt原子钟输出频率的稳定度指标，所以本实施例在此部分创新地提出通过卡尔曼滤波结合pid控制对cpt原子钟的激光和原子气室进行温度控制；
进一步，由于高速直调dfb激光发出的激光为发散的激光束，所以本实施例采用了聚焦透镜和准直透镜进行缩束和准直处理，得到平行的光束，又因高速直调dfb激光发出的激光为线偏振光，所以用四分之一波片将线偏振光转变为圆偏振光射。
进一步，上述的物理系统的光路部分不仅限于聚焦、准直透镜、四分之一波片，由于激光强度也会显著地影响cpt谱线的线宽、幅度等特性，所以本实施例在光路中通过衰减片将光强调节优化到最优的状态。
进一步，带独立的卡尔曼滤波功能接口的激光和原子气室加热装置包括各自的加热制冷装置、热敏电阻，由加热制冷装置为原子气室进行加热和控保温，由热敏电阻测量此刻激光和原子气室的温度并将数据发送给卡尔曼滤波模块。
进一步，本实施例中对于激光和原子气室进行的基于卡尔曼滤波的温度控制，在算法及硬件结构上均为独立的控制系统，通过对激光和原子气室进行的精确控温，使温度对系统性能的影响降至最低，从而大幅度提升了芯片原子钟系统的中长期稳定度。
进一步，芯片原子钟周围环境的磁场会影响cpt信号，使其幅度和共振频率发生改变，从而降低系统的稳定度指标，因此本实施例对芯片原子钟的铷原子气室进行了磁屏蔽处理，以减小环境磁场对于信号的影响。
与现有技术相比，本发明的技术创新包括：
1、本发明非常明确地在国际上首次提出对芯片原子钟引入应用低温度漂移系数的高速直调dfb激光和卡尔曼滤波原理，控制其温度和输出频率，进而极大地提高相干布局数囚禁芯片原子钟的中长期频率稳定度，通过对温度的精确控制，极大程度上减小了激光和原子气室内原子的温度漂移，相比于相干布局数囚禁铷原子芯片原子钟的现有技术，本发明提出的基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟，一方面，引入应用低温度漂移系数的高速直调dfb激光；另一方面，通过卡尔曼滤波算法获得温度与频率的最优预测值，进而在极大程度上消除了传统的芯片原子钟在vcsel激光的温度漂移过大、以及温度控制过程中，相对于目标温度总是存在的剩余偏差问题，对于温度漂移也有很好的抑制效果。
2、本发明采用卡尔曼滤波对激光和原子气室进行温度控制，此举大大提升了原子气室内原子的温度稳定性及原子数量稳定性，从而在很大程度上增加铷原子芯片原子钟的长稳和使用寿命。
3、本发明提出的将卡尔曼滤波方法用于芯片原子钟的频率控制，此特殊结构可以显著地提升芯片原子钟频率的中长期稳定性，极大地降低其频率漂移率，从而使得芯片原子钟的总体性能得到极大的提升。
4、本发明的高速直调dfb激光和卡尔曼滤波原理，不仅实现了针对铷原子的芯片原子钟频率稳定度指标的提高，还可以利用到诸如铯原子等其他不同的原子中，为其他需要进行精确控温、控频的原子钟提供了新的思路。
附图说明
图1为本发明提供的基于卡尔曼滤波的高速直调dfb激光芯片原子钟频率控制结构框图；
其中：1—带有卡尔曼滤波温度控制的高速直调dfb激光器、2—聚焦透镜、3—准直透镜、4—四分之一波片、5—带独立卡尔曼滤波器的激光和原子气室温度控制系统、6—高速光电探测器、7—带通滤波器、8—与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块、9—频率控制卡尔曼滤波器、10—与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块、11—bias-tee模块、12—微波调制解调模块、13—晶体振荡器、14—锁相环模块。
图2为本发明提供的基于卡尔曼滤波的高速直调dfb激光芯片原子钟激光和原子气室温度控制系统的结构框图；
其中：501—温度电源模块、502—带独立的卡尔曼滤波功能接口的激光和原子气室加热装置、503—卡尔曼滤波模块、504—与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块。
图3为本发明提供的基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟结构框图；
其中：15—高速直调dfb激光器、2—聚焦透镜、3—准直透镜、4—四分之一波片、16—原子气室、6—高速光电探测器、7—带通滤波器、17—dc调制解调模块、18—伺服控制模块、11—bias-tee模块、12—微波调制解调模块、13—晶体振荡器、14—锁相环模块。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优势更加清楚，下面结合实施例中的附图对本发明中的技术方案进行进一步的描述，但本发明的保护范围不限于以下所述。
本发明提供一种基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法，具体包括如下步骤：
1)带有卡尔曼滤波温度控制的高速直调dfb激光发出激光信号，经聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片后射入带有卡尔曼滤波温度控制和磁屏蔽结构的原子气室；
2)对于激光和铷原子气室进行基于卡尔曼滤波的温度控制，首先确定温度控制卡尔曼滤波器的状态方程和测量方程表达式：t(k+1)＝φt(k)+w(k)，y(k)＝ht(k)+v(k)，其中t(k)为系统自身的温度状态状态方程，y(k)为温度的测量方程；
3)温度控制卡尔曼滤波器进行温度状态预测，预测过程公式为
4)将k+1时刻温度的最优值作为下一时刻温度的目标值，传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块，进行比例积分微分控制，每秒更新一次，如此循环往复直至控温过程结束；
5)激光信号与铷原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器接收，通过带通滤波器分离出两个时域上的叠加信号，分别传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块和微波调制解调模块，对于微波环路频率，通过微波调制解调模块对该信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器，通过配置锁相环模块使输出的微波频率与晶体振荡器的频率完成相位锁定；
6)对于直流环路频率，通过与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块对该信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给用于频率控制的卡尔曼滤波模块对其进行卡尔曼滤波处理，从而得到更加稳定、准确的鉴频信号，其中，对于频率控制的卡尔曼滤波器的工作原理与步骤2)～步骤4)中温度控制卡尔曼滤波器工作原理一致，此处不再赘述；
7)经过卡尔曼滤波处理的鉴频信号经与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块传递给bias-tee模块后反馈给高速直调dfb激光器，实现对高速直调dfb激光器的稳频控制。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法中，步骤2)～步骤4)与步骤6)中的卡尔曼滤波器可以是指数平滑预测、回归算法、贝叶斯估计等。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法中，对于温度控制卡尔曼滤波器，其状态方程和测量方程表达式为：
t(k+1)＝φt(k)+w(k)
y(k)＝ht(k)+v(k)
其中，t(k)为芯片钟系统自身的温度状态状态方程，y(k)为芯片钟系统温度的测量方程，φ为状态转移矩阵，h为观测矩阵,w(k)为芯片钟系统噪声，v(k)为芯片钟的测量噪声，其对应的方差分别为q、r，其值通过芯片钟元器件的噪声来具体确定；
温度控制卡尔曼滤波器的实现过程分为预测和更新两个过程，预测过程的公式为：
p(k+1|k)＝φp(k|k)φt+γqγt(2)
其中，(1)为由k时刻得到芯片钟的k+1时刻温度的预测值，(2)为由k时刻得到芯片钟的k+1时刻温度协方差预测值，得到预测值之后对温度控制卡尔曼滤波器进行状态的更新，更新的方程为：
k(k+1)＝p(k+1|k)ht[hp(k+1|k)ht+r]-1(3)
p(k+1)＝[1-k(k+1)h]p(k+1|k)(5)
其中，(3)为芯片钟卡尔曼增益公式，(4)为状态更新后k+1时刻芯片钟温度的最优值，(5)为状态更新后k+1时刻芯片钟的温度误差协方差；
最后，将(4)中k+1时刻芯片钟的激光和气室温度的最优值作为下一时刻的目标值，传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块，进行比例积分微分控制，每秒更新一次，如此循环往复直至控温过程结束。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法中，卡尔曼滤波频率控制的实现方法包括如下过程：
首先系统初始的频率状态方程为：
f(k+1)＝φf(k)+w(k)
z(k)＝hf(k)+v(k)
其中，f(k)为芯片钟系统自身的频率状态状态方程，z(k)为芯片钟系统频率的测量方程，与温度控制过程的方程类似，φ为状态转移矩阵，h为观测矩阵,w(k)为系统噪声，v(k)为测量噪声，其对应的方差分别为q、r；
与卡尔曼滤波温度控制不同，卡尔曼滤波频率控制的预测方程为：
卡尔曼滤波频率控制的频率更新方程为：
其他方程与卡尔曼滤波温度控制的方程一致，此处不再赘述；
不断迭代更新卡尔曼滤波频率控制的频率，由此实现将高速直调dfb激光的直流电流锁定在原子与激光获得cpt共振信号的频率处，从而提高芯片原子钟的系统频率稳定度指标。
进一步，卡尔曼滤波器可以是指数平滑预测、回归算法、贝叶斯估计等。
本发明提供一种基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟及实现方法，具体实施提供了如图1所示的基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟，包括带有卡尔曼滤波温度控制的高速直调dfb激光1、聚焦透镜2、准直透镜3、四分之一波片4、带独立卡尔曼滤波器的激光和原子气室温度控制系统5、高速光电探测器6、带通滤波器7、与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块8、频率控制卡尔曼滤波器9、与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块10、bias-tee模块11、微波调制解调模块12、晶体振荡器13、锁相环模块14，其中带卡尔曼滤波温度控制和磁屏蔽结构的原子气室5除了原子气室外，还包括基于卡尔曼滤波控温的结构，如图2所示包括温度电源模块501、带独立的卡尔曼滤波功能接口的激光和原子气室加热装置502、卡尔曼滤波模块503、与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块504。
带有卡尔曼滤波温度控制的高速直调dfb激光1发出激光信号，经聚焦透镜2、准直透镜3、四分之一波片4后射入带独立卡尔曼滤波器的激光和原子气室温度控制系统5的原子气室中，激光信号与铷原子在原子气室内进行相互作用，在此处本实施例创新地提出通过卡尔曼滤波结合pid算法对高速直调dfb激光和气室进行温度控制；
对于激光和铷原子气室在算法上各自进行基于卡尔曼滤波的温度控制，首先确定温度控制卡尔曼滤波器的状态方程和测量方程表达式：t(k+1)＝φt(k)+w(k)，y(k)＝ht(k)+v(k)，其中t(k)为系统自身的温度状态状态方程，y(k)为温度的测量方程；
温度控制卡尔曼滤波器模块503进行温度状态预测，预测过程公式为
将k+1时刻温度的最优值作为下一时刻温度的目标值，传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块504，进行比例积分微分控制，每秒更新一次，如此循环往复直至控温过程结束；
激光信号与铷原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器6接收，通过带通滤波器7分离出两个时域上的叠加信号，分别传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块8和微波调制解调模块12，对于微波环路频率，通过微波调制解调模块12对该信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器13，通过配置锁相环模块14使输出的微波频率与晶体振荡器13的频率完成相位锁定；
对于直流环路频率，通过与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块8对该信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给用于频率控制的卡尔曼滤波模块9对其进行卡尔曼滤波处理，从而得到更加稳定、准确的鉴频信号，其中，对于频率控制的卡尔曼滤波器的工作原理与温度控制卡尔曼滤波器工作原理一致，此处不再赘述；
经过卡尔曼滤波处理的鉴频信号经与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块10传递给bias-tee模块11后反馈给带有卡尔曼滤波温度控制的高速直调dfb激光器1，完成对高速直调dfb激光器的稳频控制，从而实现一种基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟。
本发明提供一种基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟实现方法，具体包括如下步骤：
1)高速直调dfb激光发出激光信号，经聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片后射入原子气室；
2)激光信号与铷原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器接收，通过带通滤波器分离出两个时域上的叠加信号，分别传递给dc调制解调模块和微波调制解调模块，对于微波环路频率，通过微波调制解调模块对该信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器，通过配置锁相环模块使输出的微波频率与晶体振荡器的频率完成相位锁定；
3)对于直流环路频率，通过dc调制解调模块对该信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给伺服控制模块；
4)伺服控制模块将鉴频信号传递给bias-tee模块后反馈给高速直调dfb激光器，实现对高速直调dfb激光器的稳频控制。
本发明提供一种基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟及实现方法，具体实施提供了如图3所示的基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟，包括高速直调dfb激光器15、聚焦透镜2、准直透镜3、四分之一波片4、原子气室16、高速光电探测器6、带通滤波器7、dc调制解调模块17、伺服控制模块18、bias-tee模块11、微波调制解调模块12、晶体振荡器13、锁相环模块14。
高速直调dfb激光15发出激光信号，经聚焦透镜2、准直透镜3、四分之一波片4后射入原子气室16中，激光信号与铷原子在原子气室内进行相互作用；相互作用后得到的激光信号被高速光电探测器6接收，通过带通滤波器7分离出两个时域上的叠加信号，分别传递给dc调制解调模块17和微波调制解调模块12，对于微波环路频率，通过微波调制解调模块12对该信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器13，通过配置锁相环模块14使输出的微波频率与晶体振荡器13的频率完成相位锁定；
对于直流环路频率，通过dc调制解调模块17对该信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给伺服控制模块18；
伺服控制模块18再将传递给bias-tee模块11后反馈给高速直调dfb激光器15，完成对高速直调dfb激光器的稳频控制，从而实现一种基于高速直调dfb激光器的芯片原子钟。
本发明提供一种基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟实现方法，具体包括如下步骤：
1)带有卡尔曼滤波温度控制的激光器发出激光信号，经聚焦透镜、准直透镜、四分之一波片后射入带有卡尔曼滤波温度控制和磁屏蔽结构的原子气室；
2)对于激光和铷原子气室进行基于卡尔曼滤波的温度控制，首先确定温度控制卡尔曼滤波器的状态方程和测量方程表达式：t(k+1)＝φt(k)+w(k)，y(k)＝ht(k)+v(k)，其中t(k)为系统自身的温度状态状态方程，y(k)为温度的测量方程；
3)温度控制卡尔曼滤波器进行温度状态预测，预测过程公式为
4)将k+1时刻温度的最优值作为下一时刻温度的目标值，传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块，进行比例积分微分控制，每秒更新一次，如此循环往复直至控温过程结束；
5)激光信号与铷原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器接收，通过带通滤波器分离出两个时域上的叠加信号，分别传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块和微波调制解调模块，对于微波环路频率，通过微波调制解调模块对该信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器，通过配置锁相环模块使输出的微波频率与晶体振荡器的频率完成相位锁定；
6)对于直流环路频率，通过与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块对该信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给用于频率控制的卡尔曼滤波模块对其进行卡尔曼滤波处理，从而得到更加稳定、准确的鉴频信号，其中，对于频率控制的卡尔曼滤波器的工作原理与步骤2)～步骤4)中温度控制卡尔曼滤波器工作原理一致，此处不再赘述；
7)经过卡尔曼滤波处理的鉴频信号经与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块传递给bias-tee模块后反馈给高速直调dfb激光器，实现对激光器的稳频控制。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法中，步骤2)～步骤4)与步骤6)中的卡尔曼滤波器可以是指数平滑预测、回归算法、贝叶斯估计等。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟实现方法中，对于温度控制卡尔曼滤波器，其状态方程和测量方程表达式为：
t(k+1)＝φt(k)+w(k)
y(k)＝ht(k)+v(k)
其中，t(k)为芯片钟系统自身的温度状态状态方程，y(k)为芯片钟系统温度的测量方程，φ为状态转移矩阵，h为观测矩阵,w(k)为芯片钟系统噪声，v(k)为芯片钟的测量噪声，其对应的方差分别为q、r，其值通过芯片钟元器件的噪声来具体确定；
温度控制卡尔曼滤波器的实现过程分为预测和更新两个过程，预测过程的公式为：
p(k+1|k)＝φp(k|k)φt+γqγt(2)
其中，(1)为由k时刻得到芯片钟的k+1时刻温度的预测值，(2)为由k时刻得到芯片钟的k+1时刻温度协方差预测值，得到预测值之后对温度控制卡尔曼滤波器进行状态的更新，更新的方程为：
k(k+1)＝p(k+1|k)ht[hp(k+1|k)ht+r]-1(3)
p(k+1)＝[1-k(k+1)h]p(k+1|k)(5)
其中，(3)为芯片钟卡尔曼增益公式，(4)为状态更新后k+1时刻芯片钟温度的最优值，(5)为状态更新后k+1时刻芯片钟的温度误差协方差；
最后，将(4)中k+1时刻芯片钟的激光和气室温度的最优值作为下一时刻的目标值，传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块，进行比例积分微分控制，每秒更新一次，如此循环往复直至控温过程结束。
上述基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟实现方法中，卡尔曼滤波频率控制的实现方法包括如下过程：
首先系统初始的频率状态方程为：
f(k+1)＝φf(k)+w(k)
z(k)＝hf(k)+v(k)
其中，f(k)为芯片钟系统自身的频率状态状态方程，z(k)为芯片钟系统频率的测量方程，与温度控制过程的方程类似，φ为状态转移矩阵，h为观测矩阵,w(k)为系统噪声，v(k)为测量噪声，其对应的方差分别为q、r；
与卡尔曼滤波温度控制不同，卡尔曼滤波频率控制的预测方程为：
卡尔曼滤波频率控制的频率更新方程为：
其他方程与卡尔曼滤波温度控制的方程一致，此处不再赘述；
不断迭代更新卡尔曼滤波频率控制的频率，由此实现将高速直调dfb激光的直流电流锁定在原子与激光获得cpt共振信号的频率处，从而提高芯片原子钟的系统频率稳定度指标。
进一步，卡尔曼滤波器可以是指数平滑预测、回归算法、贝叶斯估计等。
本发明提供一种基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟及实现方法，具体实施时，基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟采用了如图1所示的基于卡尔曼滤波控温与控频的高速直调dfb激光芯片原子钟的结构，只是将图1中的带有卡尔曼滤波温度控制的高速直调dfb激光器采用带有卡尔曼滤波温度控制的激光器，此外，带卡尔曼滤波温度控制和磁屏蔽结构的原子气室5除了原子气室外，还包括基于卡尔曼滤波控温的结构，如图2所示包括温度电源模块501、带独立的卡尔曼滤波功能接口的激光和原子气室加热装置502、卡尔曼滤波模块503、与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块504。
带有卡尔曼滤波温度控制的激光器1发出激光信号，经聚焦透镜2、准直透镜3、四分之一波片4后射入带独立卡尔曼滤波器的激光和原子气室温度控制系统5的原子气室中，激光信号与铷原子在原子气室内进行相互作用，在此处本实施例创新地提出通过卡尔曼滤波结合pid算法对激光器和气室进行温度控制；
对于激光器和铷原子气室在算法上各自进行基于卡尔曼滤波的温度控制，首先确定温度控制卡尔曼滤波器的状态方程和测量方程表达式：t(k+1)＝φt(k)+w(k)，y(k)＝ht(k)+v(k)，其中t(k)为系统自身的温度状态状态方程，y(k)为温度的测量方程；
温度控制卡尔曼滤波器模块503进行温度状态预测，预测过程公式为
将k+1时刻温度的最优值作为下一时刻温度的目标值，传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的温度pid模块504，进行比例积分微分控制，每秒更新一次，如此循环往复直至控温过程结束；
激光信号与铷原子在气室内进行相互作用后，被高速光电探测器6接收，通过带通滤波器7分离出两个时域上的叠加信号，分别传递给与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块8和微波调制解调模块12，对于微波环路频率，通过微波调制解调模块12对该信号进行调制解调，得到微波鉴频信号传递给晶体振荡器13，通过配置锁相环模块14使输出的微波频率与晶体振荡器13的频率完成相位锁定；
对于直流环路频率，通过与卡尔曼滤波功能接口相匹配的dc调制解调模块8对该信号进行调制、解调，得到的鉴频信号传递给用于频率控制的卡尔曼滤波模块9对其进行卡尔曼滤波处理，从而得到更加稳定、准确的鉴频信号，其中，对于频率控制的卡尔曼滤波器的工作原理与温度控制卡尔曼滤波器工作原理一致，此处不再赘述；
经过卡尔曼滤波处理的鉴频信号经与卡尔曼滤波功能接口相匹配的伺服控制模块10传递给bias-tee模块11后反馈给带有卡尔曼滤波温度控制的高速直调dfb激光器1，完成对高速直调dfb激光器的稳频控制，从而实现一种基于卡尔曼滤波控温与控频的芯片原子钟。
进一步，上述实施例中所采用的铷原子仅作为一种思路的参考，具体实施环节并不仅限于铷原子，铯原子等碱金属同样适用于本发明。
最后需要注意的是，上述实施例仅是本发明的优选实施方式，并非限制本发明的范围。具体地，本发明实施例中应用的高速直调dfb激光、卡尔曼滤波控温及控频有效解决芯片原子钟由于原子温度漂移对其中长期频率稳定度指标的限制以及频率漂移问题。本发明适用于钠、钾、铷、铯等碱金属原子的芯片原子钟和精密测量，同时也适用于其他精密测量的原子或分子。本发明中的高速直调dfb激光器，同时也适合利用其他不同类型的高速直调激光器，包括高速直调集成干涉共振半导体激光器(专利申请号201910284622.4)、高速直调bdr激光器、改进的干涉型vcsel激光器(专利申请号201910537715.3)等。这些技术为本领域相关技术人员所熟知，因此不再赘述。本领域技术人员应当理解，在不脱离本发明创意构思的前提下，对本发明技术方案进行修改、替换和改进，都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围以权利要求书所限定者为准。
- 还没有人留言评论。精彩留言会获得点赞！