一种CPT原子钟频率驯服控制方法及设备与流程

本申请涉及原子钟技术领域，尤其涉及一种CPT(Coherent Population Trapping，相干布居囚禁)原子钟频率驯服控制方法及设备。

背景技术：

原子钟是目前世界上最精确的计时工具。在通信、航空航天、卫星导航和科学计量测试等方面发挥着重要作用。CPT原子钟是基于原子的相干布居囚禁原理而设计的一种新型原子钟，主要利用双色相干光与原子作用将原子制备成相干态，以及利用CPT信号作为微波鉴频信号而实现的原子钟频率资源。

CPT原子钟在工作原理上不同于传统的氢、铷、铯等原子钟，量子部分不需要微波谐振腔，是目前在原理和技术上可以实现最小体积和最低能耗的原子钟。由于其具有体积小、功耗低、启动快等优点，具有广泛的应用前景。

然而，CPT原子钟作为二级频标，存在频率漂移的问题。为了抑制CPT原子钟频率漂移，目前提出一种抑制CPT原子钟频率漂移的方案，即利用外部设备对CPT原子钟的频率进行校准，有效提升了CPT原子钟的物理性能。但是，这种方式存在结构复杂、所需要的资源比较多、不易于实现等问题。

技术实现要素：

有鉴于此，本申请实施例提供了一种CPT原子钟频率驯服控制方法及设备，用于解决如何抑制CPT原子钟频率漂移的问题。

本申请实施例提供了一种CPT原子钟频率驯服控制方法，所述CPT原子钟中包含驯服控制器，其中：

所述驯服控制器确定所述CPT原子钟的本振频率，并基于所述本振频率分频得到第一秒脉冲信号；

所述驯服控制器接收通过外部端口输入的第二秒脉冲信号；

所述驯服控制器基于所述第一秒脉冲信号和所述第二秒脉冲信号，确定设定时间间隔内的所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量；

所述驯服控制器根据所述频率偏移量，对所述CPT原子钟的本振频率进行驯服调整。

本申请实施例提供了一种CPT原子钟频率驯服控制设备，所述驯服控制设备包含于所述CPT原子钟中，包括：

确定单元，用于确定所述CPT原子钟的本振频率，并基于所述本振频率分频得到第一秒脉冲信号；

接收单元，用于接收通过外部端口输入的第二秒脉冲信号；

处理单元，用于基于所述第一秒脉冲信号和所述第二秒脉冲信号，确定设定时间间隔内的所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量；

调整单元，用于根据所述频率偏移量，对所述CPT原子钟的本振频率进行驯服调整。

本申请中至少一个实施例所带来的有益效果如下：

本申请实施例中CPT原子钟中包含驯服控制器，该驯服控制器能够基于频率倍频和量化时延的短时间间隔测量方法，精确测量出CPT原子钟的频率偏移，并根据频率偏移大小，提出不同的频率驯服控制方法，实现短时间内驯服CPT原子钟的频率，以抑制CPT原子钟的频率漂移问题，并且本申请实施例提供的方式通过CPT原子钟内置的驯服控制器实现，结构简单，易于调试，提升了CPT原子钟频率驯服的自动控制和自主运行，使得CPT原子钟频率驯服变得灵活和操作方便。

附图说明

为了更清楚地说明本申请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要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种CPT原子钟频率驯服控制方法的流程示意图；

图2为本申请实施例提供的一种CPT原子钟频率驯服控制方法的流程示意图；

图3为本申请实施例提供的一种CPT原子钟频率驯服控制设备的结构示意图。

具体实施方式

为了实现本申请的目的，本申请实施例提供了一种CPT原子钟频率驯服控制方法及设备，在本申请实施例提供的方案中CPT原子钟中包含驯服控制器，该驯服控制器能够基于频率倍频和量化时延的短时间间隔测量方法，精确测量出CPT原子钟的频率偏移，并根据频率偏移大小，提出不同的频率驯服控制方法，实现短时间内驯服CPT原子钟的频率，以抑制CPT原子钟的频率漂移问题，并且本申请实施例提供的方式通过CPT原子钟内置的驯服控制器实现，结构简单，易于调试，提升了CPT原子钟频率驯服的自动控制和自主运行，使得CPT原子钟频率驯服变得灵活和操作方便。

下面结合说明书附图对本申请作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

图1为本申请实施例提供的一种CPT原子钟频率驯服控制方法的流程示意图。所述驯服控制方法可以如下所示。

本申请实施例在CPT原子钟中配置驯服控制器，该驯服控制器可以基于FPGA(现场可编程门阵列，Field-Programmable Gate Array)实现，也可以基于其他可编程器件实现，这里不做具体限定。

步骤101：所述驯服控制器确定所述CPT原子钟的本振频率，并基于所述本振频率分频得到第一秒脉冲信号。

在本申请实施例中，所述驯服控制器在开机状态下完成初始化配置。假设驯服控制器通过FPGA实现，那么在开机状态下对FPGA内部以及外围各模块进行初始化配置，具体可包括：芯片时钟配置、C场电压配置、量子系统和激光器温度点配置、锁相环芯片配置、模数/数模芯片配置等。

驯服控制器在开机初始化阶段对量子系统和激光器进行温度控制，并在温度稳定后，锁定激光频率；并在激光频率锁定后锁定微波频率，此时锁定的微波频率即为确定的CPT原子钟的本振频率。

具体地，所述驯服控制器对量子系统和激光器进行温度控制；并在所述温度稳定的情况下，确定所述CPT原子钟的本振频率。

此外，驯服控制器在锁定本振频率后，利用分频器对CPT原子钟的本振频率进行分频处理，得到你第一秒脉冲信号。

步骤102：所述驯服控制器接收通过外部端口输入的第二秒脉冲信号。

在本申请实施例中，驯服控制器接收通过外部端口输入的第二秒脉冲信号。

较优地，驯服控制器在接收到的第二秒脉冲信号的情况下，还可以对第二秒脉冲信号的有效性进行判断。

具体地，驯服控制器判断接收到的第二秒脉冲信号是否满足设定条件，若满足，则执行步骤103；否则，继续监测外部端口，接收外部端口发送的下一个第二秒脉冲信号。

需要说明的是，本申请实施例中所记载的设定条件为所述第二秒脉冲信号为卫星信号的定时信息、所述第二秒脉冲信号为不小于所述本振频率的频率对应的定时信息中的一种。

步骤103：所述驯服控制器基于所述第一秒脉冲信号和所述第二秒脉冲信号，确定设定时间间隔内的所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量。

在本申请实施例中，首先，所述驯服控制器利用倍频器对所述CPT原子钟的本振频率进行倍频处理，得到设定数量的等相位差的子倍频时钟。

具体地，所述驯服控制器利用倍频器对所述CPT原子钟的本振频率对应的本振时钟进行M倍的倍频处理，得到倍频时钟；

所述驯服控制器利用所述倍频器对所述倍频时钟进行量化时延处理，产生K组的等相位差的子倍频时钟，各等相位差的子倍频时钟之间的时延为Tosc/(M*K)，相位差为360°/K；

其中，所述倍频时钟的周期T为Tosc/M，所述本振频率的周期为Tosc＝1/fosc，所述CPT原子钟的本振频率为fosc，M和N为自然数。

其次，所述驯服控制器以所述第二秒脉冲信号的上升延为时间起点，以所述第一秒脉冲信号的上升延为时间终点，对设定数量的等相位差的子倍频时钟进行统计，得到所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量。

假设产生K组的等相位差的子倍频时钟为C1、C2、……、Ck，那么以所述第二秒脉冲信号的上升延为时间起点，以所述第一秒脉冲信号的上升延为时间终点，以所述子倍频时钟分别计数得到a1、a2、……、ak，统计得到A＝a1+a2+……+ak，A即为所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量。

需要说明的是，在本申请实施例中时间间隔测量方法的测量精度为本振频率测量精度的M*K倍，这里的测量分辨力根据所使用的FPGA芯片可达到百皮秒量级。

较优地，在本申请实施例中，所述驯服控制器在确定所述频率偏移量的情况下，所述方法还包括：

所述驯服控制器对所述频率偏移量进行滤波处理。

驯服控制器可以对所述频率偏移量进行kalman滤波，有效抑制频率偏移量的相位抖动。

步骤104：所述驯服控制器根据所述频率偏移量，对所述CPT原子钟的本振频率进行驯服调整。

在本申请实施例中，所述驯服控制器在确定所述频率偏移量大于第一设定阈值的情况下，根据所述频率偏移量，调整锁相环芯片的配置参数，以使得所述CPT原子钟的本振频率得以调整。

需要说明的是，驯服控制器在确定所述频率偏移量大于第一设定阈值的情况下，基于所述频率偏移量的大小，对锁相环芯片的配置参数进行调整，这里记载的锁相环芯片的配置参数可以理解为开机初始化的配置参数，对于锁相环芯片的配置参数的调整范围，可以基于所述频率偏移量的大小进行确定，这里不做具体限定。

所述驯服控制器在确定所述频率偏移量不大于第一设定阈值且大于第二设定阈值的情况下，根据所述频率偏移量，调整C场电压值，以使得所述CPT原子钟的本振频率得以调整。

需要说明的是，驯服控制器在确定所述频率偏移量不大于第一设定阈值且大于第二设定阈值的情况下，根据所述频率偏移量的大小，确定频率纠偏反馈量；根据频率纠偏反馈量，通过模数/数模转换模块对加载在C场上的电压进行调整。这里频率纠偏反馈量与C场电压的调整量之间满足一定条件，在本申请实施例中对于该条件不做具体限定。

较优地，所述驯服控制器在确定所述频率偏移量不大于第二设定阈值的情况下，触发执行对所述第二秒脉冲信号的有效性进行检测的操作。

通过本申请实施例提供的技术方案，CPT原子钟中包含驯服控制器，该驯服控制器确定所述CPT原子钟的本振频率，并基于所述本振频率分频得到第一秒脉冲信号；接收通过外部端口输入的第二秒脉冲信号；基于所述第一秒脉冲信号和所述第二秒脉冲信号，确定设定时间间隔内的所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量；根据所述频率偏移量，对所述CPT原子钟的本振频率进行驯服调整。能够基于频率倍频和量化时延的短时间间隔测量方法，精确测量出CPT原子钟的频率偏移，并根据频率偏移大小，提出不同的频率驯服控制方法，实现短时间内驯服CPT原子钟的频率，以抑制CPT原子钟的频率漂移问题，并且本申请实施例提供的方式通过CPT原子钟内置的驯服控制器实现，结构简单，易于调试，提升了CPT原子钟频率驯服的自动控制和自主运行，使得CPT原子钟频率驯服变得灵活和操作方便。

图2为本申请实施例提供的一种CPT原子钟频率驯服控制方法的流程示意图。所述方法可以如下所示。

步骤201：所述驯服控制器在开机状态下完成初始化配置。

步骤202：所述驯服控制器对量子系统和激光器进行温度控制；并在所述温度稳定的情况下，确定所述CPT原子钟的本振频率。

步骤203：驯服控制器利用分频器对CPT原子钟的本振频率进行分频处理，得到你第一秒脉冲信号。

步骤204：所述驯服控制器接收通过外部端口输入的第二秒脉冲信号。

步骤205：驯服控制器判断接收到的第二秒脉冲信号是否满足设定条件，若满足，则执行步骤206；否则，继续监测外部端口，接收外部端口发送的下一个第二秒脉冲信号。

需要说明的是，本申请实施例中所记载的设定条件为所述第二秒脉冲信号为卫星信号的定时信息、所述第二秒脉冲信号为不小于所述本振频率的频率对应的定时信息中的一种。

步骤206：所述驯服控制器利用倍频器对所述CPT原子钟的本振频率对应的本振时钟进行M倍的倍频处理，得到倍频时钟。

步骤207：所述驯服控制器利用所述倍频器对所述倍频时钟进行量化时延处理，产生K组的等相位差的子倍频时钟，各等相位差的子倍频时钟之间的时延为Tosc/(M*K)，相位差为360°/K。

其中，所述倍频时钟的周期T为Tosc/M，所述本振频率的周期为Tosc＝1/fosc，所述CPT原子钟的本振频率为fosc，M和N为自然数。

步骤208：所述驯服控制器以所述第二秒脉冲信号的上升延为时间起点，以所述第一秒脉冲信号的上升延为时间终点，对设定数量的等相位差的子倍频时钟进行统计，得到所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量。

步骤209：所述驯服控制器对所述频率偏移量进行滤波处理。

步骤210：所述驯服控制器判断所述频率偏移量是否大于第一设定阈值，是否大于第二设定阈值，根据判断结果分别执行以下步骤：

步骤211：所述驯服控制器在确定所述频率偏移量大于第一设定阈值的情况下，根据所述频率偏移量，调整锁相环芯片的配置参数，以使得所述CPT原子钟的本振频率得以调整。

步骤212：所述驯服控制器在确定所述频率偏移量不大于第一设定阈值且大于第二设定阈值的情况下，根据所述频率偏移量，调整C场电压值，以使得所述CPT原子钟的本振频率得以调整。

步骤213：所述驯服控制器在确定所述频率偏移量不大于第二设定阈值的情况下，触发执行对所述第二秒脉冲信号的有效性进行检测的操作。

需要说明的是，第一设定阈值大于第二设定阈值。

本申请实施例中提供的驯服控制方法能够基于频率倍频和量化时延的短时间间隔测量方法，精确测量出CPT原子钟的频率偏移，并根据频率偏移大小，提出不同的频率驯服控制方法，实现短时间内驯服CPT原子钟的频率，以抑制CPT原子钟的频率漂移问题，并且本申请实施例提供的方式通过CPT原子钟内置的驯服控制器实现，结构简单，易于调试，提升了CPT原子钟频率驯服的自动控制和自主运行，使得CPT原子钟频率驯服变得灵活和操作方便。

图3为本申请实施例提供的一种CPT原子钟频率驯服控制设备的结构示意图。所述驯服控制设备包含于所述CPT原子钟中，包括：

确定单元301，用于确定所述CPT原子钟的本振频率，并基于所述本振频率分频得到第一秒脉冲信号；

接收单元302，用于接收通过外部端口输入的第二秒脉冲信号；

处理单元303，用于基于所述第一秒脉冲信号和所述第二秒脉冲信号，确定设定时间间隔内的所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量；

调整单元304，用于根据所述频率偏移量，对所述CPT原子钟的本振频率进行驯服调整。

在本申请的另一个实施例中，所述处理单元303基于所述第一秒脉冲信号和所述第二秒脉冲信号，确定设定时间间隔内的所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量，包括：

利用倍频器对所述CPT原子钟的本振频率进行倍频处理，得到设定数量的等相位差的子倍频时钟；

以所述第二秒脉冲信号的上升延为时间起点，以所述第一秒脉冲信号的上升延为时间终点，对设定数量的等相位差的子倍频时钟进行统计，得到所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量。

在本申请的另一个实施例中，所述处理单元303利用倍频器对所述CPT原子钟的本振频率进行倍频处理，得到设定数量的等相位差的子倍频时钟，包括：

利用倍频器对所述CPT原子钟的本振频率对应的本振时钟进行M倍的倍频处理，得到倍频时钟；

利用所述倍频器对所述倍频时钟进行量化时延处理，产生K组的等相位差的子倍频时钟，各等相位差的子倍频时钟之间的时延为Tosc/(M*K)，相位差为360°/K；

其中，所述倍频时钟的周期T为Tosc/M，所述本振频率的周期为Tosc＝1/fosc，所述CPT原子钟的本振频率为fosc，M和N为自然数。

在本申请的另一个实施例中，所述处理单元303基于所述第一秒脉冲信号和所述第二秒脉冲信号，确定设定时间间隔内的所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量，包括：

在确定所述第二秒脉冲信号满足设定条件的情况下，基于所述第一秒脉冲信号和所述第二秒脉冲信号，确定设定时间间隔内的所述CPT原子钟的本振频率的频率偏移量；

其中，所述设定条件为所述第二秒脉冲信号为卫星信号的定时信息、不小于所述本振频率的频率对应的定时信息中的一种。

在本申请的另一个实施例中，所述驯服控制设备还包括：滤波单元305，其中：

所述滤波单元305，用于在确定所述频率偏移量的情况下，对所述频率偏移量进行滤波处理。

在本申请的另一个实施例中，所述调整单元304根据所述频率偏移量，对所述CPT原子钟的本振频率进行驯服调整，包括：

在确定所述频率偏移量大于第一设定阈值的情况下，根据所述频率偏移量，调整锁相环芯片的配置参数，以使得所述CPT原子钟的本振频率得以调整。

在本申请的另一个实施例中，所述调整单元304根据所述频率偏移量，对所述CPT原子钟的本振频率进行驯服调整，包括：

在确定所述频率偏移量不大于第一设定阈值且大于第二设定阈值的情况下，根据所述频率偏移量，调整C场电压值，以使得所述CPT原子钟的本振频率得以调整。

在本申请的另一个实施例中，所述驯服控制设备还包括：检测单元306，其中，

所述检测单元306，用于在确定所述频率偏移量不大于第二设定阈值的情况下，触发执行对所述第二秒脉冲信号的有效性进行检测的操作。

在本申请的另一个实施例中，所述确定单元301确定所述CPT原子钟的本振频率，包括：

对量子系统和激光器进行温度控制；

在所述温度稳定的情况下，确定所述CPT原子钟的本振频率。

需要说明的是，本申请实施例提供的驯服控制设备可以通过软件方式实现，也可以通过硬件方式实现，这里不做具体限定。本申请实施例中提供的驯服控制设备能够基于频率倍频和量化时延的短时间间隔测量方法，精确测量出CPT原子钟的频率偏移，并根据频率偏移大小，提出不同的频率驯服控制方法，实现短时间内驯服CPT原子钟的频率，以抑制CPT原子钟的频率漂移问题，并且本申请实施例提供的方式通过CPT原子钟内置的驯服控制器实现，结构简单，易于调试，提升了CPT原子钟频率驯服的自动控制和自主运行，使得CPT原子钟频率驯服变得灵活和操作方便。

本领域的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、装置(设备)、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、装置(设备)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

尽管已描述了本申请的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本申请范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。