频率处理与相位处理方式对频率源稳定度的影响研究

摘要

稳定度是频率源的重要技术指标。传统提升稳定度指标的方法主要通过对原子钟物理腔体的优化改造，在如今已经优化成熟的情况下往往收效甚微。主动型原子钟采用的相位处理方式，其稳定度变化规律为1/√τ；而被动型原子钟采用的频率处理方式，其稳定度变化规律为1/√τ。可以看出，频率源稳定度的变化规律与处理方式有关。由于被动钟中信号关系的复杂性，以及原子能级跃迁相位的不确定性，导致频率源的相位信息很难获取，因此所有被动型原子钟均采用了频率处理方式，而导致了稳定度变化规律为1/√τ。因此，探索频率处理与相位处理对于稳定度的影响是提高稳定度指标一条可行途径，并为目前大量使用的被动型原子钟从频率处理到相位处理的改造提供了可行方向。 本文首先通过对复杂周期性信号相位现象的探索，重新加深了对相位现象的认识，更新了相位概念，拓宽了相位处理的应用范围，为复杂系统中的相位利用提供了理论基础。其次，本文以采用频率处理方式的高精度频率源——铷原子钟为例，详细分析了其中的复杂频率关系，以及在复杂频率关系下的相位关系。通过建模后的公式推导，得出了利用的光检信号特殊相位特征点——最大能级跃迁概率点与低频信号过零点的时差信息得到连续的频差信息公式，利用虚拟重建理论最终恢复出了频率源相位信息，使得相位处理方式的实现成为可能。最后，本文设计了结合数字化A/D转换技术相位处理方式的铷钟改进方案，并进行了硬件实现与测量。根据实验结果的分析处理，改造后的铷原子钟秒级稳定度接近2*10-12，提高了近半个数量级。对比频率处理方式下的稳定度规律，证明了相位处理方式可以使得频率源的稳定度有更高的指标。数据分析发现，利用晶振与物理体特征的互补性有望成为改造被动型原子钟的新方向。通过对实验结果的详细误差分析，为进一步改进相位处理实验提供了重要参考。 本文通过探究频率处理与相位处理方式对频率源稳定度的影响，结合复杂时频系统本身相位现象的分析与利用，指出相位处理方式是频率源控制方式的更好选择，并且通过实际实验初步验证了相位处理方式在原子钟中的可行性。这对所有被动型原子钟稳定指标的提高提供了新的方向。

目录

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绪论

研究背景及意义

国内外研究现状

研究内容与各章节安排

传统相位差的认识与更新

相位差的概念

传统相位差概念的应用

相位差现象的新认识

相位差现象的新应用

本章小结

频率源稳定度

频率源稳定度的概念及表征形式

频域表征

时域表征

频率源稳定度的主要影响因素

本章小结

频率源频率处理与相位处理研究

频率源的频率处理方式

常见频率处理方式的频率源

频率处理下频率源稳定度指标

频率源的相位现象探索

频率源中相位特征分析

最大能级跃迁概率点

频率源的相位恢复

虚拟重建技术

原子钟中的相位恢复

数字化的相位处理方式

本章小结

频率源相位处理方式的实现

频率源相位处理的实验方案

整体方案设计

各部分器件选择与介绍

软件设计

相位处理方式频率源稳定度测量与分析

实验测量方法与结果分析

实验误差分析

本章小结

总结与展望

研究工作总结

后续工作展望

基本情况

教育背景

攻读硕士学位期间的研究成果