[发明专利]喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法

说明书

技术领域

本发明涉及喷泉原子钟，特别是一种喷泉原子钟（以下简称喷泉钟）频率不确定度的自比对评估方法。 

背景技术

原子钟是时间的计量仪器。其工作原理是本地振荡器1a输出微波信号一路经过倍频之后输入原子钟微波腔4b与原子作用，原子系统起到鉴频器的作用，原子的跃迁几率差反映了误差信号的大小，将误差信号变化成电压信号后通过伺服控制5a锁定本振1a，本振1a输出的另一路频率信号即作为原子频标信号，通过修正和处理得到精准的时间信号。 

原子钟的瞬态输出频率可以写为：v(t)＝v₀(1+ε+y(t))，其中v₀对应原子在无干扰条件下跃迁频率，ε是相对频率偏移，由不同偏移成分εⁱ构成，ε＝Σ_iεⁱ，y(t)表征相对频移起伏，它的长期统计特性反映了钟频率的稳定度，及不确定度置信水平。由外部不同物理因素引起的原子钟频移及频移不确定度评估是原子钟研究的重要工作。 

传统的原子钟频移及频移不确定度评估方法(请参见图2)需要外部参考钟2c和外部比相仪5c参与原子钟1c的评估过程。原子钟1c输出的标准频率信号3c与氢钟2c输出的标准频率信号4c同时输入比相仪5c得到误差信号6c。重复上述过程一段时间，获得一组误差频率信号后，对记录的数据做误差分析7c。 

传统原子钟频移及频移不确定度评估过程必需外部参考钟2c和比相仪5c，增加了评估工作的难度，实际实验过程中如遇到参考钟2c出问题，会严重影响后续评估工作的进行。另一方面，传统评估方法所得 到的频移不确定度评估结果精度受到参考钟性能影响，阿兰方差是参考钟与原子钟的总体结果，氢钟长期运行过程存在频率漂移，限制了频移不确定度的评估精度。 

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术的不足，提供一种喷泉原子钟频率不确定度的自比对评估方法，该方法不需要外部参考钟及比相仪，避免了由于参考钟遇到故障对评估工作造成影响的风险，消除了传统比对法中由外部参考钟自身频率漂移对喷泉钟的影响，使频移不确定度评估精度提高。 

本发明的具体方案如下： 

一种喷泉钟频率偏移不确定度的自比对评估方法，其特点征在于该方法包括以下步骤： 

①开启喷泉原子钟获得标准频率信号输出； 

②喷泉原子钟标准运行：通过数字功率衰减器调节微波功率，使微波腔输入的微波脉冲为π/2脉冲，在该π/2微波脉冲条件下，有铷源上抛的铷87原子经过冷却区、选态区、探测区进入微波腔第一次与π/2微波脉冲作用，然后自由上抛飞行下落，又进入微波腔，第二次与π/2微波脉冲作用，在探测区得到探测原子能级布局数，根据能级布局数与原子跃迁几率的关系，及输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号Δν₁，通过伺服反馈环路锁定参考晶振，一个喷泉原子钟标准运行过程持续时间为3.5s； 

③喷泉原子钟参量改变运行：喷泉钟标准运行过程结束后，通过数字功率衰减器调节微波功率，使微波腔输入的微波脉冲为3π/2脉冲，铷源上抛的铷87原子经过冷却区、选态区、探测区，在所述的微波腔第一次与3π/2微波脉冲作用，然后经自由上抛飞行下落，在微波腔第二 次与3π/2微波脉冲作用，在探测区得到探测原子能级布局数，根据能级布局数与原子跃迁几率的关系，及输入微波频率与跃迁几率的关系给出误差信号Δν’₁，记录该误差信号，注意此过程误差信号Δν’₁不反馈给原子钟参考晶振，一个喷泉原子钟参量改变运行过程持续时间也为3.5s； 

④重复上述步骤②③共n－1次，喷泉原子钟交替工作在标准运行和参量改变运行，得到一组标准运行误差信号Δν₁，Δν₂......Δν_n和一组参量改变运行误差信号数据Δν’₁，Δν’₂......Δν’_n； 

⑤求参量改变运行过程误差信号的时间平均频率偏移： 

<Δ’ν>=(Δν’₁+Δν’₂+......+Δν’_n)/3.5n； 

⑥对参量改变运行过程误差信号Δν’₁，Δν’₂......Δν’_n按下列公式作阿兰方差分析：