一种用于原子频标的环路响应时间测量装置及方法

摘要

本发明公开了一种用于原子频标的环路响应时间测量装置及方法。该装置包括：振荡模块，用于接收原子频标的伺服环路的输出信号，并将原子频标的伺服环路的输出信号反相后输出；执行模块，用于根据振荡模块的输出信号动作，以控制原子频标的量子系统能否完成量子鉴频；信号检测模块，用于根据振荡模块的输出信号测量振荡环路的振荡周期，振荡环路由振荡模块、执行模块和原子频标构成。该方法包括：获取振荡模块的振荡周期；测量振荡环路的振荡周期；根据振荡环路的振荡周期和振荡模块的振荡周期计算原子频标的环路响应时间。通过本发明提供的装置和方法，可以准确测量出原子频标系统的环路响应时间。

说明书

技术领域

本发明涉及原子频标领域，特别涉及一种用于原子频标的环路响应时间测 量装置及方法。

背景技术

目前，被动型原子频标作为高稳定、高精准的时间同步源被广泛应用在通 讯等领域。参见图1，被动型原子频标的伺服控制环路一般是由量子系统(又称 物理系统)和电路系统组成。其中，量子系统提供一个峰点频率稳定、线宽较 窄的原子共振吸收线作为频率基准，起量子鉴频器的作用；电路系统将VCXO (Voltage Controled X′tal Oscillator，压控晶体振荡器)的输出频率锁定在原子共 振吸收线的峰点上。被动型原子频标的基本工作原理为，VCXO的输出信号经 过倍频与综合，再经微波倍频混频后得到一个微波探询信号，此微波探询信号 输入量子系统，量子系统对该微波探询信号进行鉴频，在光电池上得到鉴频信 号，此鉴频信号经过伺服环路的处理后得到纠偏电压后对VCXO进行压控，从 而将VCXO的输出频率锁定到原子共振吸收线的峰点上。

在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下问题：

在被动型原子频标的伺服控制环路中，量子系统、VCXO以及伺服环路中 的相敏检波器等均具有非线性特性，环路分析非常复杂，而整个系统的环路响 应时间更加难以分析。其中，量子系统实际的驰豫时间在很大程度上限制了整 个系统的环路响应时间，再加上各电路模块的相位问题，给伺服环路误差信号 采集及相应纠偏电压的输出带来很大的不便，如图2所示，由于量子系统的驰 豫时间及电路的相位差，导致伺服环路无法根据相应的同步参考信号Y来真实 采集量子鉴频信号X在A点和B点的压差。

发明内容

为了测量原子频标系统的环路响应时间，本发明实施例提供了一种用于原 子频标的环路响应时间测量装置及方法。所述技术方案如下：

一种用于原子频标的环路响应时间测量装置，包括：

振荡模块，用于接收所述原子频标的伺服环路的输出信号，并将所述原子 频标的伺服环路的输出信号反相后输出；

执行模块，用于根据所述振荡模块的输出信号动作，以控制所述原子频标 的量子系统能否完成量子鉴频；及

信号检测模块，用于根据所述振荡模块的输出信号测量振荡环路的振荡周 期，所述振荡环路由所述振荡模块、所述执行模块和所述原子频标构成。

具体地，所述振荡模块为环形振荡器。

具体地，所述环形振荡器由奇数个非门构成且所述非门至少为3个。

其中，所述原子频标的伺服环路包括可编程逻辑芯片，所述环形振荡器由 所述可编程逻辑芯片产生。

具体地，所述执行模块为位于所述量子系统中光谱灯与集成滤光共振泡之 间的快门Shutter。

一种采用前述的装置的环路响应时间测量方法，所述方法包括：

获取振荡模块的振荡周期；

测量振荡环路的振荡周期；

根据所述振荡环路的振荡周期和所述振荡模块的振荡周期计算所述原子频 标的环路响应时间。

其中，所述振荡模块为环形振荡器，所述环形振荡器由奇数个非门构成且所 述非门至少为3个，则根据所述振荡环路的振荡周期和所述振荡模块的振荡周 期计算所述原子频标的环路响应时间，具体包括：根据以下公式计算所述原子 频标的环路响应时间：

$\mathrm{\Delta t}=\frac{T_1-2\mathrm{Nt}}{2},$

其中，Δt为原子频标的环路响应时间，T₁为所述振荡环路的振荡周期，N为 环形振荡器中非门的个数，t为每个非门的延迟时间。

本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：通过振荡模块、执行模 块、与原子频标构成振荡环路，从而可以通过信号检测模块测量该振荡环路的 振荡周期，进而可以准确测量出原子频标的环路响应时间。根据测得的环路响 应时间及相关综合模块的处理，一方面伺服环路可以很精确地采集压差信号； 另一方面，通过测量的环路响应时间，我们可以在伺服环路进行量子纠偏时， 对其具体的诸如采样时间、采样点数、单位时间(如10S)纠偏次数等电路参数 精确设置，进而进一步提高原子频标的精度。

附图说明

图1是被动型原子频标的结构框图；

图2是现有的原子频标的伺服环路在同步鉴相时的伺服采集图；

图3是本发明实施例1提供的一种用于原子频标的环路响应时间测量装置 的结构示意图；

图4是本发明实施例2提供的一种用于原子频标的环路响应时间测量装置 的结构暨使用状态示意图；

图5是本发明实施例2中的振荡模块的工作原理图；

图6是本发明实施例2中的振荡环路的工作原理图；

图7是本发明实施例3提供的一种用于原子频标的环路响应时间测量方法 的流程图；

图8是本发明实施例4提供的一种用于原子频标的环路响应时间测量方法 的流程图；

图9是采用本发明实施例后原子频标的伺服环路在同步鉴相时的伺服采集 图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明 实施方式作进一步地详细描述。为便于对本发明所述装置和方法的描述，下面 首先对被动型原子频标进行介绍。

一般地，被动型原子频标在伺服控制环路锁定过程中，量子系统、相敏检 波器、压控振荡器等均表现出非线性特性。而当环路锁定后，各部件都只工作 在中心频率附近的很小的线性区内，因此可以将其线性化，即整个原子频标每 一次的量子鉴频(物理过程)到伺服纠偏(电路响应)的闭环过程可以看作是 不变的。基于此，本发明提供了一种用于原子频标的环路响应时间测量装置及 方法。

实施例1

本发明实施例提供了一种环路响应时间测量装置，如图3所示，该装置包 括振荡模块101、执行模块102和信号检测模块103。其中，所述振荡模块101 的输入端与原子频标的伺服环路104相连，用于接收所述原子频标的伺服环路 104的输出信号，并将所述原子频标的伺服环路104的输出信号反相后输出；所 述执行模块102与所述振荡模块101的输出端相连，用于根据所述振荡模块101 的输出信号动作，以控制所述原子频标的量子系统105能否完成量子鉴频；所 述信号检测模块103与所述振荡模块101的输出端相连，用于根据所述振荡模 块101的输出信号，测量振荡环路的振荡周期，所述振荡环路由所述振荡模块 101、所述执行模块102和所述原子频标构成。图3中的粗箭头分别表示信号的 输入和输出。

本实施例的用于原子频标的环路响应时间测量装置，通过振荡模块、执行 模块、与原子频标构成振荡环路，从而可以通过信号检测模块测量该振荡环路 的振荡周期，根据测得的振荡环路的振荡周期和振荡模块101的振荡周期即可 计算出原子频标的环路响应时间。如图9所示，根据测得的环路响应时间及相 关综合模块的处理，一方面伺服环路可以很精确地根据同步参考信号Y中的D 点分别采集对应信号X中的A，B的压差信号；另一方面，通过测量的环路响 应时间，我们可以在伺服环路进行量子纠偏时，对其具体的诸如采样时间、采 样点数、单位时间(如10S)纠偏次数等电路参数进行精确设置，进而进一步提 高原子频标的精度。

实施例2

本发明实施例提供了一种用于原子频标的环路响应时间测量装置，如图4 所示，在本实施例中，所述原子频标包括压控晶体本振204、电子线路205、可 编程逻辑芯片206、量子系统207和伺服环路208，所述量子系统207至少包括 光谱灯2071、集成滤光共振泡2072、磁屏2073、恒温2074和腔2075，前述部 件完成一台标准原子频标的工作，其工作原理与传统原子频标原理相同，此为 本领域技术人员熟知，故在此省略详细描述。需要说明的是，在本实施例中， 所述可编程逻辑芯片206是伺服环路208的一部分，为了便于说明将其独立表 示。

本实施例的环路响应时间测量装置包括振荡模块201、执行模块202和信号 检测模块203。其中，参见图4，振荡模块201的输入端与原子频标的伺服环路 208相连，接收伺服环路208的输出信号，振荡模块201的输出端与执行模块 202和信号检测模块203相连，该振荡模块201用于将伺服环路208的信号反相 后发送至执行模块202和信号检测模块203。所述执行模块202与振荡模块201 的输出端相连，用于根据振荡模块201的输出信号动作，以控制所述原子频标 的量子系统207能否完成量子鉴频。所述信号检测模块203与振荡模块201的 输出端相连，用于接收振荡模块201的输出信号，根据该输出信号测量振荡环 路的振荡周期，该振荡环路由所述振荡模块201、执行模块202和所述原子频标 构成。

具体地，在本实施例中，振荡模块201是由奇数个(3个以上)非门构成的 环形振荡器。在本实施例中，奇数个非门由可编程逻辑芯片206产生。设非门 的个数为N，N不小于3。该执行模块202为位于原子频标的量子系统207中光 谱灯2071与集成滤光共振泡2072之间的高速快门Shutter。其输入端与振荡模 块201输出端相连，接收振荡模块201的输出信号，并根据接收到的信号打开 和闭合，从而控制光谱灯2071的激励光能否透过集成滤光共振泡2072，即控制 量子系统能否完成量子鉴频。

下面结合图4-6详细说明本实施例的工作原理。在传统原子频标原理的作用 下，量子系统207中光谱灯2071激励的光进入集成共振滤光泡2072中，完成 量子系统207的量子鉴频，得到的量子鉴频信号经伺服环路208后得到同步鉴 相信号，同步鉴相信号反馈到可编程逻辑芯片206得到压控晶体本振204的压 控信号。

假定此时快门Shutter的状态为‘开’，光谱灯2071激励的光通过快门Shutter 后直接进入集成共振滤光泡2072中，完成量子系统207的量子鉴频，得到的量 子鉴频信号经伺服环路208得到的信号一方面如上所述反馈到可编程逻辑芯片 206，另一方面反馈到振荡模块201，因为量子系统207完成了量子鉴频，故此 时经伺服环路208输入至振荡模块201的信号是高电平‘1’，该信号经振荡模 块201中奇数级多个非门后变成低电平‘0’，因此，振荡模块201输出至执行 模块202和信号检测模块203为低电平‘0’，作用于执行模块202，即快门Shutter， 使其状态变为‘关’，此时，量子系统207的量子鉴频不能完成，伺服环路208 输入至振荡模块201的信号是低电平‘0’，该信号经振荡模块201中奇数级多 个非门后变成高电平‘1’，作用于快门Shutter，使其状态再次变为‘开’。依次 循环，振荡模块201输出的信号会出现‘1’-‘0’-‘1’...‘0’的变化。

如上所述，振荡模块201、执行模块202与原子频标的伺服环路208以及量 子系统207构成了一个振荡环路。通过信号检测模块203即可测量该振环电路 的振荡周期。

此外，如前所述，可编程逻辑芯片206产生的N个非门可构成一个环形振荡 器。该环形振荡器环路中任何一个位置可输出信号至信号检测模块203，信号检 测模块203接收该输出信号，测量环形振荡器的振荡器周期。假设环路中每个 非门电路的平均传输延迟时间为t，环形振荡器产生的振荡周期为T₀。参见图5， 环形振荡器中，非门A₁输出连接非门A₂输入，非门A₂输出连接非门A₃输入，...， 非门A_N-1输出连接非门A_N输入，非门A_N输出连接非门A₁输入。假定某时刻A₁输入 的初态为1，则经过1个传输延迟t后，A₁输出即A₂输入变为0；再经过1个传输 延迟t，A₂输出即A₃输入变为1，...，经过(N-1)个传输延迟(N-1)t后，A_N-1输出A_N输入变为1，再经过1个传输延迟t，A_N输出即A₁输入变为0。即可知需经过传输 延迟Nt，环形振荡器的初态‘1’变为‘0’。同样的道理可知，环形振荡器的初 态‘0’变为‘1’，也需要传输延迟_Nt。那么，可推导出环形振荡器的周期T₀为：

T₀＝2Nt

参见图6，假设原子频标环路响应时间为_Δt，振荡环路的振荡周期为T₁。那 么，可推导出振荡环路的振荡周期T₁为：

T₁＝2Nt+2Δt

则可推导出原子频标的环路响应时间_Δt：

$\mathrm{\Delta t}=\frac{T_1-2\mathrm{Nt}}{2}.$

需要说明的是，在本实施例中，所述振荡模块201为环形振荡器，该环形 振荡器由可编程逻辑芯片206产生，然而，并不限于此种方式。所述可编程逻 辑芯片206可以由单片机替代，所述振荡模块可以为N阶非门串联得到。

本实施例的用于原子频标的环路响应时间测量装置，通过振荡模块、执行 模块、与原子频标构成振荡环路，从而可以通过信号检测模块测量该振荡环路 的振荡周期，进而可以准确测量出原子频标的环路响应时间。如图9所示，根 据测得的环路响应时间及相关综合模块的处理，一方面伺服环路可以很精确地 根据同步参考信号Y中的D点分别采集对应信号X中的A，B的压差信号；另 一方面，通过测量的环路响应时间，我们可以在伺服环路进行量子纠偏时，对 其具体的诸如采样时间、采样点数、单位时间(如10S)纠偏次数等电路参数进 行精确设置，进而进一步提高原子频标的精度。

实施例3

本发明实施例提供了一种采用实施例1中的装置测量环路响应时间的方法， 如图7所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤301：获取振荡模块的振荡周期；

步骤302：测量振荡环路的振荡周期；

步骤303：根据所述振荡环路的振荡周期和所述振荡模块的振荡周期计算所 述原子频标的环路响应时间。具体地，所述原子频标的环路响应时间等于振荡 环路的振荡周期与振荡模块的振荡周期的差值的一半。

本实施例的用于原子频标的环路响应时间测量方法，通过将振荡模块、执 行模块、与原子频标构成振荡环路，从而可以通过信号检测模块测量该振荡环 路的振荡周期，进而可以准确测量出原子频标的环路响应时间。如图9所示， 根据测得的环路响应时间及相关综合模块的处理，一方面伺服环路可以很精确 地根据同步参考信号Y中的D点分别采集对应信号X中的A，B的压差信号； 另一方面，通过测量的环路响应时间，我们可以在伺服环路进行量子纠偏时， 对其具体的诸如采样时间、采样点数、单位时间(如10S)纠偏次数等电路参数 进行精确设置，进而进一步提高原子频标的精度。

实施例4

本发明实施例提供了一种采用实施例2中的装置测量环路响应时间的方法， 如图8所示，该方法具体包括以下步骤：

步骤401：获取环形振荡器的振荡周期。具体的，所述环形振荡器由奇数个 非门构成且所述非门至少为3个。如前所述，环形振荡器的周期T₀为：

T₀＝2Nt                   (1)

步骤402：测量振荡环路的振荡周期，该振荡环路由环形振荡器、执行模块 202与原子频标构成。具体的，该执行模块202为位于原子频标量子系统207的 光谱灯2071与集成滤光共振泡2072之间的高速快门Shutter。

步骤403：根据测得的振荡环路的振荡周期和环形振荡器的振荡周期计算原 子频标的环路响应时间。

假设原子频标环路响应时间为_Δt，振荡环路的振荡周期为T₁。那么，可推导 出振荡环路的振荡周期T₁为：

T₁＝2Nt+2Δt                   (2)

根据(1)、(2)两式，可推导出原子频标环路响应时间_Δt：

$\mathrm{\Delta t}=\frac{T_1-2\mathrm{Nt}}{2}$

本实施例的用于原子频标的环路响应时间测量方法，通过将振荡模块、执 行模块、与原子频标构成振荡环路，从而可以通过信号检测模块测量该振荡环 路的振荡周期，进而可以准确测量出原子频标的环路响应时间。如图9所示， 根据测得的环路响应时间及相关综合模块的处理，一方面伺服环路可以很精确 地根据同步参考信号Y中的D点分别采集对应信号X中的A，B的压差信号； 另一方面，通过测量的环路响应时间，我们可以在伺服环路进行量子纠偏时， 对其具体的诸如采样时间、采样点数、单位时间(如10S)纠偏次数等电路参数 进行精确设置，进而进一步提高原子频标的精度。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现， 其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的硬盘、光 盘或软盘。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的 精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的 保护范围之内。