[发明专利]一种对铯束频标中束光学参量进行优化的方法

说明书

技术领域

本发明属于导航技术领域，涉及一种在实现磁选态铯束原子钟时， 其束光学系统中参量的优化方法。

技术背景

磁选态铯束原子钟在时间频率领域占有重要地位，它属于一级频标， 应用于现代科学与技术的各种领域，包括守时、时间频率计量等，尤其 在导航领域有着广泛的应用。在美国的全球导航定位系统(GPS)和俄罗 斯的全球导航卫星系统(GLONASS)中用于导航与定位的原子钟就包括 小型磁选态铯原子钟。

目前，真正能够做到小型磁选态铯钟工程实用化的国家只有美国和俄 罗斯。我国在上世纪六十年代就开展了对小型磁选态铯钟的研制，但到 目前为止尚未真正达到工程化应用水平，其中，小型磁选态铯钟指标跟 寿命难以达到工程使用要求是重要原因。

对于磁选态铯束原子钟来说，束光学系统的设计对指标有着重大影 响。束光学系统包括铯炉、准直器、选态磁铁(包括A磁铁和B磁铁， 也叫A磁场和B磁场，每个磁场均为一个二级磁场)及探测器等，如图 1所示。束光学系统决定着束管选通原子的速率分布、信噪比、腔相位差 频移、二级多普勒频移、邻线牵引频移和短期稳定度等特征参量。因此， 束光学系统的设计非常重要。

束光学系统的设计实际上就是束光学参量的选择。这些参量包括探 测器的位置、准直器偏角、B磁铁的位置等。由于有些参量之间是相互 冲突的，如要减小信号线宽，往往会损失信号强度，降低短期稳定度等。 因此，在设计束光学系统时，需要对束光学的各参量进行综合考虑。

现有的束光学设计方法中，最直接的方法是通过数学的手段对各参量 进行优化。其过程是：先定义某个目标函数，作为束光学参量的函数， 然后采用最大陡度法或代价函数法等方法找出能够使目标函数达到极值 的参量。由于束光学涉及的参数众多，而且有些参数不连续，因此束光 学的优化存在很大难度。

目前，有采用最大陡度法进行过模拟，也有采用代价函数法进行过模 拟，虽然取得了一定的效果，但其结果都相当粗糙，离实际应用相差很 远。其原因是或者在模拟过程中简化过多，如将二极磁场的梯度项和有 效磁矩取为常数，这将导致优化结果产生较大误差；或者是算法本身存 在问题，这是由于设计人员并不清楚目标函数的连续性及参数空间的连 通性。在多数情况下，设计人员宁愿依靠原始的物理考虑，定出一些初 步参数，然后通过实验研究，确定其他的参量。这种方法一方面增加了 设计成本，另一方面这些参量常常无法达到优化设计的要求。

发明内容

本发明的目的是为了克服已有技术的缺陷，为解决在束光学系统设 计时，难以对其中的参量进行优化的问题，提出一种对铯束频标中束光 学参量进行优化的方法。其核心是：采用磁场梯度和有效磁矩的实际值 来求解铯原子在磁场中的运动微分方程，并采用Monte Carlo算法进行优 化求解。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的，包括以下步骤：

(1)对铯原子束中某个铯原子的方位角和发射角分别进行Monte Carlo抽样。通过抽样，得到该铯原子的方位角和发射角。

(2)对上述铯原子的速率分布进行Monte Carlo抽样。通过抽样，得 到该铯原子的速率。

(3)将步骤(1)和(2)的结果作为初始条件，采用Bulirsch-Stoer 方法求解铯原子在A磁场中的运动微分方程。根据求解结果，能够得出 该铯原子在A磁场中的运动轨迹。

(4)重复步骤(1)～(3)，得出所有通过A磁场铯原子的运动轨迹。 根据这些铯原子的运动轨迹，统计出能够通过A磁场的铯原子的个数和 所有通过A磁场的铯原子的位置分布。根据通过A磁场的铯原子的个数 计算出铯原子的通过率，根据通过率确定出准直器的偏角、准直器对准A 磁场入口的坐标等参量；根据所有通过A磁场的铯原子的位置分布确定 出B磁场的位置。

至此，就完成了在束光学系统设计时对准直器的偏角、准直器对准A 磁场入口的坐标、B磁场的位置这3个参量的优化，从而为实现磁选态 铯束原子钟的工程化应用奠定了基础。

有益效果

本发明方法，避开了已有束光学优化算法中所遇到的如梯度问题、 广义积分等带来的算法误差，使计算结果更加精确；避免了多重积分执 行效率较低的问题，节省了运算成本。另外，本发明中采用的物理量均 为实际值，避免了物理量过于简化和理想化的弊病。

附图说明