铷原子频标的时频处理技术研究

摘要

原子钟利用原子的超精细能级间跃迁所辐射的频率对时间进行度量。由于它计时的准确性和稳定性，原子钟在过去的五十年中已成为航空航天、导航定位、通信以及科学测量等领域中不可或缺的器件之一。原子钟主要包括物理部分和线路部分，是高稳定度晶体振荡器的物理锁定系统，其性能主要取决于物理部分和线路部分的配合。通常情况下，物理部分由于受到外界温度变化和自身老化等因素的影响而不能达到理想的效果，同时由于线路部分需要通过多级倍频、混频、合成等复杂频率变换，将物理部分跃迁频率锁定到高稳定度晶体振荡器上，在这个过程中，会引入附加噪声，影响了原子钟的短期稳定度指标。针对物理部分和线路部分的不足，可以分别利用线路部分的补偿以及精密频率链接等时频信号处理技术来解决。本文基于广泛使用的铷原子钟，针对以上情况完成了以下几个方面的工作：
　　1.针对铷原子钟温度漂移问题进行了温度补偿技术研究。本文利用原子钟的输出随温度变化的重现性的稳定性，采用直接数字频率合成器对铷钟进行补偿，在没有对被补偿频率源的自身短期稳定度产生太大影响的前提下，减小了铷原子钟的温度系数。验证了该设计方法的可行性和有效性。
　　2.针对铷原子钟长期漂移造成频率准确度降低的问题进行了研究。本文利用GPS接收机输出的1PPS信号的长期平均无漂移的的特性，设计了基于GPS的1PPS的铷原子钟驯服系统。对比驯服前后的实验结果，发现输出频率的准确度得到了提高。
　　3.针对传统铷原子钟进行了线路简化研究。在研究传统线路的基础上，根据周期性信号间相位比对过程中的相位群规律性变化，提出了对线路链接部分的简化处理技术，即将一个特殊频率值为13.669375MHz的VCOCXO，经过500倍频后可直接得到铷原子能级跃迁的激励信号，再经过钟伺服对VCOCXO进行锁定，从而改善了13.669375MHz VCOCXO的输出频率信号指标。但13.669375MHz的信号往往不能直接被使用，可进一步通过基于周期性信号间的精密频率链接技术，将拥有铷原子能级跃迁指标的13.669375MHz VCOCXO信号的高准确度传递给10MHz VCOCXO的标准频率输出。经改进后，相噪指标得到了有效改善。

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第一章 绪论

1.1选题背景和意义

1.2国内外研究现状分析

1.3论文的研究思路和内容安排

1.4本章小结

第二章 原子频标的技术指标及其物理原理

2.1频率源的标称频率和实际频率

2.2频率标准的技术指标

2.3原子钟的基本原理和分类

2.4铷气泡型原子频标

2.5本章小结

第三章 铷原子钟的温度补偿技术

3.1铷原子钟温度补偿原理

3.2铷原子钟补偿前温度特性测量

3.3铷原子钟温度补偿电路设计

3.4实验测量结果及分析

3.5本章小结

第四章 基于GPS秒脉冲信号的铷原子钟驯服技术

4.1基本原理及系统设计

4.2关键技术

4.3驯服系统的实现

4.4驯服实验结果及分析

4.5本章小结

第五章 基于相位群处理的铷原子钟精密频率链接技术

5.1周期性信号间相位关系的规律性研究

5.2基于相位群处理的异频信号锁频原理

5.3新型锁频环路对铷原子钟的线路简化改造方案

5.4针对铷原子钟的锁频环路的实现

5.5实验及分析

5.6本章小结

第六章 总结和展望

6.1研究总结

6.2不足与展望

参考文献

致谢

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