CPT原子钟、星载钟及时频测控领域的新技术研究

摘要

基于CPT(Coherent Population Trapping，相干布居囚禁)现象的原子钟是近年来国际国内的一个研究热点。基于CPT现象可以开发出两种不同的原子钟即CPT-Maser型原子钟和被动型CPT钟，前者的特点是结构复杂但是准确度和稳定度却很高，后者的特点是结构非常简单，是可以实现微型化的原子钟之一。
　　 在描述了Rb CPT maser原子钟的工作原理，三个子系统的功能，设计及测试等内容后，对电路子系统中的有关内容进行重点研究和实现。
　　 CPT-Maser钟中频率链电路的作用是联系用户频率(通常是5MHz和10MHz)和调制激光器的频率(通常是原子基态超精细能级跃迁频率的一半)。在高性能原子钟中都采用低噪声频率合成技术。在CPT-Maser钟中设计和实现了用户频率到100MHz锁相式倍频电路和100MHz到3.417GHz频综电路，该频综电路的性能达到了国内先进水平。
　　 CPT-Maser原子钟是通过检测CPT-Maser信号的功率变化来实现锁定的，而CPT-Maser信号通常在-90dBm以下，频率约为6.834GHz，因此设计了外差式接收机和检波电路实现功率检测。该电路中对检波分辨率，温度稳定性有很高的要求，通过选择高性能的器件来解决上述问题。分析说明了这部分电路与整机闭环后输出的频率准确度和稳定度之间存在的关系。
　　 伺服电路将检波电路输出的误差信号处理成本振的控制电压。设计和实现了主要由A/D，单片机，D/A构成的数字伺服，它的主要优点是利用软件便能完成调试和具有一些传统模拟伺服原子钟不具有的功能例如软件补偿和扩捕功能。针对10-13的频率准确度和稳定度，理论分析了数字伺服的设计方法。
　　 原子钟的频率温度系数是一个重要参数，目前国外星载铷钟的该参数已达10-14量级，而CPT-Maser的为10-12量级。设计和实现了基于软件补偿频率温度系数的方法。扩捕电路能解决传统的原子钟中出现的当本振频率偏出原子钟的捕获带时环路不能锁定的问题。设计和实现了CPT-Maser原子钟扩捕电路。
　　 围绕被动型CPT钟的微型化设计了适宜于微型化要求的整机设计方案，它在细节上它具有以下四个特点：一是采用了VCSEL激光器；二是采用了小型化的频率链电路；三是采用了数字式的锁激光器和锁本振电路；四是利用一个铷泡的输出同时实现锁激光器和锁本振。
　　 基于DDS，单片机，锁相环芯片等研制了一个适应于小型化CPT钟或其它小型化原子钟的频综电路。它借助了高速数字化器件，简化了频综设计，具有数字化，输出频率可高精度软件调节，软件产生FSK调制和同时可输出同步解调信号等优点。
　　 研究了被动型CPT钟的智能化和数字化，理论上数字化原子钟具有便于生产，测试，软件补偿等优势，对频率温度系数的补偿，原子钟的非实时控制，基于相位重合点检测实现的锁频环等内容作了实验研究。
　　 阐述了星载钟设计的特点，国外星载钟的主要性能和主要研究单位，我国星载钟的研制水平和国外的差距，国外星载钟研制的技术细节等内容，同时提出了一些有望提高我们星载钟研制水平的建议。
　　 时频测试设备的研制和新型时频信号处理技术是时频领域的另一个研究方向。
　　 时间量化技术是很多测试设备的一个基础，目前对其分辨率的要求已达ps量级。基于CMOS门延迟的时间量化技术实现起来比较复杂，继续采用该技术提高分辨率将会很困难。研究了利用信号在介质中传输时会出现延迟这种现象来进行时间量化的可行性及其特点。首先分析采用该技术的进行时间量化时理论上的分辨率和误差，及各种影响稳定度的因素，然后对导线延迟的分辨率，准确度，线性度做了实验验证，并对温度，信号衰减和色散等量对延迟稳定度的影响做了实验研究。分析和实验表明，基于传输延迟的时间量化技术是一种新的可以获得高分辨的时间量化技术，同时指出了该方法的一些特点及其应用。
　　 设计了一种新的时钟插入技术以实现高分辨率的时间间隔测量仪。该时钟插入技术利用信号在传输时会有稳定的、规律的延迟特性，用一段传输线对时钟信号延迟，在传输线上根据设计分辨率的大小设置一些离散的检测点，用D触发器完成对延迟后的时钟信号与被测时间间隔开始或者结束信号的重合检测，根据重合点出现的位置推算出时钟信号与被测时间间隔开始或者结束信号的时差大小。采用FPGA芯片EP2C5Q204和上述时钟插入技术实现了一个高精度时间间隔测量仪.实现的时间间隔测量仪具有分辨率高，稳定性好等优点。
　　 目前对稳定度测试设备有较大的需求量。主要基于DDS技术和测差频周期法研制了一个稳定度测量仪器。它的本底稳定度优于4.5×10-13/1s，1.5×10-13/10s，它的测量范围是1MHz到30MHz。与国外的主要产品比较，它主要具有低成本高分辨率的优点。
　　 目前的时间比对中通常采用时间间隔测量仪作为测量仪器，在这种条件下时间间隔测量仪的分辨率制约时间比对的分辨率。分析了时间比对过程中的时间比对和频率源比相之间的关系，提出了利用频率源比相测量间接完成时间比对的思路并完成了验证上述思路的实验，同时指出了这种间接测量的优势。
　　 分析了双频信号的相对相位变化特点，提出了一种新的秒信号的产生方式即利用两个频率信号的周期性的相位重合点作为标准时间信号。完成了利用双频信号的相位重合点获得标准时间信号的说明及初步实验，结果是该方法能用来产生秒信号且产生的秒信号稳定性优于200ps。阐述了新方法在授时过程中的优势并指出了进一步研究内容。
　　 采用目前广泛应用的锁相环技术来实现两频率间的锁定时，由于它们的频率关系往往不相关以至于实现时必须借助于频率变换电路，将两不相关频率信号处理成具有同频或者是有整倍数的关系的信号。两任意频率信号间会出现周期性的相位重合现象且相位重合周期和两频率信号的频率关系密切联系，基于此原理实现了一种新型的锁频环。它较一般的锁相环的优点是原理先进，输出频率调整容易。对该方法做了理论说明和实验研究，实验结果与理论预期相符。文中同时叙述了有关电路的工作原理和设计。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1原子频标的应用以及发展意义及最新进展

1.2 CPT-MASER原子频标的研究意义

1.3星载钟研究

1.4时频测试设备与时频信号处理技术研究

1.5论文的主要工作

第二章 CPT-Maser原子钟工作原理和实现方案研究

2.1 概述

2.2 CPT现象及其在原子钟方面的应用

2.3 CPT-Maser钟实现方案

2.4 CPT-Maser物理系统和光学系统的设计

2.5 CPT-Maser钟中接收机部分的设计实现及主要性能

2.5.1接收机部分设计的理论基础

2.5.2接收机部分的电路实现和主要性能

2.5.3接收机部分的性能测试

2.6伺服电路的设计实现及主要性能

2.6.1伺服电路的设计和实现

2.6.2伺服设计的理论基础

2.6.3主要电路模块的设计和实现

2.6.4伺服环路的优化设计

2.6.5电路调试和测试结果

第三章 CPT-Maser原子钟中相关电路的研制

3.1概述

3.2 CPT-Maser实验装置中频综电路的设计

3.3 5MHz到100MHz频率变换电路的设计

3.3.1基于SP8685A的5MHz到100MHz的锁倍电路

3.3.2基于双平衡混频器的10MHz到100MHz的锁倍电路

3.4 3.417GHz频率链的设计和实现

3.4.1方案设计

3.4.2主要电路的设计和实现

3.4.3低通滤波器

3.4.4实验结果

3.5原子钟扩捕获电路的实验研究

3.5.1扩捕电路的设计目的

3.5.2实现方式

3.5.3电路设计和工作原理

3.5.4程序设计

3.5.5实验结果

3.5.6总结

3.6关于改善CPT-Maser原子钟频率温度系数的研究

3.6.1引言

3.6.2补偿的原理

3.6.3实验研究

3.6.4实验结果

3.6.5分析

3.6.6总结

第四章 被动型CPT钟微型化研究

4.1概述

4.2被动型CPT钟和主动型CPT钟的区别和联系

4.3被动型CPT钟的主要理论基础

4.4被动型CPT钟微型化的研究目标及主要难题

4.4.1研究目标

4.4.2主要难题

4.4.3关键技术

4.5被动型微型化CPT钟整机设计方案

4.5.1物理体的设计

4.5.2频率链电路的设计方案和实验结果

4.5.3被动型CPT钟主要电路部分的实现方案

4.6原子钟的数字化和智能化研究

第五章 星载钟研究

5.1概述

5.2星载钟设计的特点

5.3国外星载钟的一些基本信息

5.3.1国外星载钟的主要研究单位及其相关信息

5.3.2 GPS系统和伽利略系统中星载钟的配置及特点

5.3.3国外星载钟的主要性能

5.4我国星载钟研制与国外的差距及解决方法

5.4.1我国星载钟的研究现状

5.4.2我国星载钟的研制水平与国外差距的主要表现

5.4.3解决我国星载钟的研究现状的方法

5.4.4和国外的合作

5.5国外星载钟研制的技术细节

5.5.1 GPS Blcok IIR卫星上的星载铷钟

5.5.2 GPS Block IIF卫星上的星载铷钟

5.5.3 Galileo导航系统中的星载铷钟

5.5.4 Galileo导航系统中的星载氢钟

5.6我国星载铷钟和国外主要产品的差距及对其进一步改进的建议

5.6.1我国星载铷钟和国外主要产品的差距

5.6.2对我国星载铷钟技术改进的建议

第六章 时频测试设备和时频信号处理技术研究

6.1基于传输延迟的高精度时间间隔测量仪

6.1.1理论分析传输延迟的特点

6.1.2实验分析传输延迟的特点

6.1.3基于传输延迟的高精度时间间隔测量仪

6.1.4误差分析

6.1.5当进一步提高分辨率时该技术的难点

6.2一种实现高分辨率1pps信号比对的方法

6.2.1引言

6.2.2比相与秒信号比对的联系

6.2.3实验

6.2.4应用和特点

6.2.5结论

6.3一种具有高分辨率特点的稳定度测量仪

6.3.1引言

6.3.2低成本高分辨率稳定度测试仪的设计

6.3.3主要电路介绍

6.3.4测量结果与分析

6.4时间产生新机理的原理研究

6.4.1引言

6.4.2双频信号的相对相位变化特点

6.4.3实验方案及数据分析

6.4.3双频信号的相位重合点形成时间信号的优势

6.5基于相位重合点检测实现不同频锁频环

6.5.1引言

6.5.2基于相位重合点检测实现不同频锁频环的理论基础

6.5.3基于相位重合点检测实现不同频锁频环的电路实现

6.5.4实验结果

6.5.5小结

第七章 总结与展望

7.1总结

7.2展望

附录 A

致谢

参考文献

攻读博士学位期间的研究成果