[发明专利]一种被动型原子钟物理部分快速测试评估系统与方法

说明书

本发明公开一种被动型原子钟物理部分快速测试评估系统及方法，所述的系统包括信号源、参考源、被动型原子钟物理部分、频谱仪、锁相放大器；所述的被动型原子钟包括被动型氢钟、铷钟以及铯钟；本发明的系统与方法不仅能够方便地研究被动型氢钟的物理部分波谱信号观测、腔频误差曲线研究以及铷钟、铯钟吸收曲线、“S”鉴频曲线的测量与评估等，还可以实现环路的闭环锁定、动态实时调整优化接收机(被动型氢钟)、同步检波相位差、环路增益等多变量参数，快速验证评估被动型原子钟稳定度与各个参数之间的关系，现有方法很难实现多样化的参数实时验证。

技术领域

本发明属于原子频标技术领域，开发出了一种通用的被动型原子频标物理部分快速测试评估装置与方法。

背景技术

被动型原子钟是利用原子(或分子)的某一对能级的跃迁谱线对激励信号进行鉴频，再经锁频环路将激励信号频率(例如压控振晶体振荡器)锁定于跃迁中心频率而成。

被动型原子频标作为一种高精度的时间频率基准，相较于自激型原子频标具有体积小、重量轻的特点，广泛应用于导航定位、深孔探测、通讯技术等军事科研领域。美国的GPS、中国的BD、俄罗斯的GLONASS及欧盟伽利略全球卫星导航系统空间段所搭载的原子钟均为传统的被动型原子钟如铷钟、铯钟和被动型氢钟。

传统铷钟、铯钟和被动型氢钟作为应用最广泛的频率源基准，本质上为锁频环路系统，其主要组成部分为物理部分与电子线路部分，如图1所示。物理部分在锁频环路中的功能为鉴频器，而电子线路则用于产生微波激励信号、为物理部分提供适当工作电压及将物理部分输出信号处理为控制信号实现环路的闭环锁定。

随着被动型原子钟技术的不断发展，迫切需要快速验证不同的物理部分参数设置，整机稳定度指标等参数，甚至需要快速建立系统实时仿真平台进行电路参数调试以及稳定度评估等。但目前的研究方法仍然基于各自独立的电路模块，并且也没有通用性和扩展性，严重制约新型原子钟及新技术的研究与验证。我们对被动型原子钟的系统原理进行深入分析与了解，发现基于通用仪器和被研究的被动型原子钟物理部分，能够建立一种通用性强的适应于被动型铷钟、铯钟以及被动型氢钟的全物理仿真系统与方法。

由于被动型氢钟相对于铷钟、铯钟系统而言，被动型氢钟较为复杂，增加了一级信号处理步骤，如图2中的虚线框的射频检测部分，其余部分一样。因此，本申请主要以被动型氢钟为例进行说明，但系统与方法适用于铷钟、铯钟的研究。

被动型氢钟的物理部分相当于窄带放大器，误差信号的检测原理和被动型铯钟、铷钟类似，利用氢原子的能级跃迁谱线对激励信号进行鉴频，再经过锁频环路将压控振荡器的频率锁定在谱线中心频率上。但由于被动型氢钟微波腔的有载品质因数高，存在的腔牵引效应，所以被动型氢钟在控制压控晶体振荡器的同时需要控制微波腔的中心频率。因此，被动型氢钟需要两个锁频环路，一个锁频环路将压控晶体振荡器的频率锁定在原子跃迁频率上，一个锁频环路将微波腔的频率锁定在压控晶体振荡器的频率上。

国内方面，专利“一种用于被动型小氢钟快速调制锁定的数字移相装置”(专利号：CN 201010237152.5)，给出了一种用于被动型小氢钟快速调制锁定的数字移相装置，采用编程控制芯片来实现信号的相位鉴相与误差信号分离。专利“被动型氢原子钟快速调制锁定的数字调制方法及环路系统”(专利号：CN201010237148.9)提出采用可编程控制芯片对微波探寻信号进行FSK调制及方法等。

可以看到，上述专利通常都是基于被动型氢钟特定的技术难点进行研究，目前对单频方法研究并不完善系统，研究方法还非常有限复杂并不通用，研究工具系统还无法满足被动型氢钟的快速发展的需要，严重影响被动型氢钟技术的进一步发展。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种被动型原子钟物理部分快速测试评估系统与方法。