原子钟

摘要： 太空浩瀚,斗转星移;四季更替,草木枯荣。从古至今,人们都能清晰感知到时间的流逝。为了准确计量时间,随着时代发展,时间计量工具在不断更新换代,从日晷、沙漏、水钟,到机械钟、石英钟,再到原子钟,精确度越来越高。如果说日晷、沙漏、水钟是“鲁班尺”,那么机械钟、石英钟就是“卷尺”,原子钟则是“千分尺”。

摘要： 原子钟是时间频率体系的核心设备,是标准时间频率信号产生的基础,其性能决定着时间频率系统的技术水平,在守时、授时、定时端都有重要应用。《时间频率学报》邀请国内具有丰富的原子钟研制经验的专家学者撰写了6篇研究论文,反映了国内相关原子钟研究的现状以及最新研究进展。

摘要： 星载原子钟是卫星导航系统的心脏。近年来,由于原子钟小型化和芯片化技术的发展(如超薄铷钟和CPT钟的研制成功),使得弹载原子钟在军事设备上,尤其是在导弹制导系统中获得广泛应用,并成为系统的关键部件。本文主要介绍了原子钟被称为航天系统的心脏或关键部件的原因,原子钟的发展现状,存在的问题(如“相对论效应修正”问题),以及对未来发展的展望。

摘要： 在金融领域,特别是证券高频交易方面,“时间”是个非常敏感的词;证券交易需要第一时间准确地将订单送出去,而且在整个交易环节中订单的“穿越时间”要尽量小。文章主要阐述了如何用基于FPGA的授时与守时技术来精准测试订单的“穿越时间”,并搭建相应的测试系统。测试结果表明,该方案具有测试精度高、部署方便、易于扩展等优点,非常适合金融领域中多套系统异地部署场景下的时延测量。

摘要： 基于分区式线型阱的汞离子微波钟已在国际上首次实现了空间在轨飞行验证,为今后深空探测技术领域实现单向导航奠定了基础。设计了一种基于“四极阱+十二极阱”的分区式线型离子阱,主要采用离子数密度分布模型,数值分析了轴向和径向的势阱结构特征,研究了该离子阱的离子囚禁性能,给出了囚禁离子的设计参数,估算了该离子阱应用于汞离子微波钟的二阶多普勒频移大小。论证了四极阱中实现光抽运与荧光探测,十二极阱中实现离子与微波相互作用及自由演化稳定存储功能的可行性。该项工作对于高性能离子囚禁钟和质谱仪的设计具有一定借鉴意义。

摘要： 在微波原子钟里,微波用于激励原子的钟跃迁以获得鉴频信号,微波的相位噪声是限制微波原子钟短期频率稳定度的主要因素之一。在本工作中,实现了一种用于相干布居囚禁(CPT)原子钟的低噪声、结构简单的微波频率合成器,以满足高性能CPT原子钟需要。合成器主要由100 MHz恒温晶体振荡器(OCXO)、声表面滤波器、带锁相的介质振荡器(PDRO)和直接数字合成器(DDS)组成。经测量,对于1 Hz、100 Hz、1 kHz和10 kHz频率偏移处,其输出的3.417 GHz信号的绝对相位噪声分别为-61、-107、-118.6和-124 dBc/Hz。在1 s平均时间处,预期的交调效应对原子钟短期频率稳定的限制仅为5.8×10^(14)。该设计不仅为小型化高性能CPT原子钟提供一种结构简单的微波合成器,还可应用于POP、冷原子CPT等微波原子钟。

摘要： 2022年1月20日,美国国防高级研究计划局(DARPA)发布ROCkN项目,计划将GPS卫星上的原子钟全部替换成“光钟”,从而使测量精度得到百倍提升。2022年2月10日,新华社对中国科学院国家授时中心进行全面报道,计划将“光钟”送入中国空间站,建立太空时间测量系统。

摘要： 报道了一款尺寸大小、引脚定义和主要功能与美国SA.45s芯片级原子钟兼容的低功耗小体积CPT(coherent population trapping)原子钟。研制工作以降低工艺难度,易于工程实现为原则,回避了技术难度较大的MEMS(micro electro mechanical systems)技术和高真空绝热等技术工艺。其物理部分以边长3.5 mm的传统立方形玻璃气室为核心,填充^(87)Rb原子和缓冲气体;电路部分以低功耗STM32单片机为核心。对整机零部件进行体积和功耗的优化并通过软件算法对频率温度特性进行学习和智能补偿,最终产品外形尺寸为4.0 cm×3.5 cm×1.2 cm,重量30 g,稳态功耗0.53 W。样品经中国计量院校准,启动时间2 min 15 s,跟踪外秒24 h稳定性50 ns峰峰值,跟踪外秒1天后断开外秒24 h最大偏差1.4μs,短期频率稳定度7.1×10^(12)/1 s,相位噪声-101 dBc/Hz@10 Hz。主要技术指标达到或接近典型的芯片级原子钟的水平。

摘要： 激光原子钟基于相干布居数囚禁(CPT)和激光器模式锁定的基本原理,其谐振腔内仅有两个模式可以振荡,而且这一设计可以使两个纵模振荡频率与特定工作原子的跃迁频率相等,且相互锁定。而且由于激光谐振腔内插入的干涉滤光单元和CPT单元的双重作用,使两个模式的频率间隔精确等于工作原子的基态超精细结构跃迁频率,并且在谐振腔模式中具有最高增益。通过对激光器腔长、增益,以及腔内插入单元的稳定控制,以此方法建成的激光器将有两个稳定的纵模输出,而两纵模之间的拍频将精确等于CPT系统工作原子的基态超精细能级的跃迁频率。直接检测两个纵模的拍频,就可以获得高稳定度的标准频率输出。而且由于其模式锁定过程是一个物理的自动牵引锁定过程,不再像一般原子钟那样依赖于锁定电路和对原子跃迁信号的探测和识别。因此有望获得更高的稳定度。其标准频率的信号强度,信噪比也会大大高于以往方法产生的原子钟输出信号。

摘要： 星载原子钟是卫星导航系统的核心部件,在导航定位中占据着重要作用。我国自主研发的BDS-3系统于2020-07-31正式建成开通,搭载原子钟为铷钟和氢钟。基于IGS官网提供的精密钟差产品,采用不同评价指标,对BDS星载原子钟性能进行分析与评价,具体步骤为:对原始钟差的数据进行数据转换并分析,采用四分位数法和分段线性插值法进行数据预处理,同时解算原子钟的频率准确度和频率漂移率,然后对钟差数据进行拟合并分析拟合残差,最后分析不同系统不同原子钟之间的差异。实验结果表明:BDS-3和BDS-2的频率准确度量级为10^(-12)和10^(-11),频率漂移率量级为10^(-18)~10^(-17)。BDS-3原子钟性能优于BDS-2,氢钟性能优于铷钟。

摘要： 高精度的卫星钟差是全球卫星导航系统实时精密单点定位和授时服务的重要基础.为了提高的GNSS系统卫星钟差以及钟差预报的精度,需要对GNSS星载原子钟的周期特性进行分析.本文基于2016年整1年的GNSS精密卫星钟差数据,利用中位数方法进行了数据预处理,使用多项式拟合模型分析了卫星钟的拟合残差,利用频谱分析法分析了GNSS卫星钟差的周期特性,全面分析了GNSS四系统星载原子钟的周期特性.试验结果表明:除Cs钟的卫星外,其他卫星钟差都表现出较明显周期特性,BDS、GPS的主周期项基本在12h、24h、6h,GLONASS的主周期项基本在12h附近,GALILEO主周期项在13.9h、7h;不同轨道、不同类型原子钟钟差周期项不同,而同种轨道类型的卫星其钟差周期项也存在差异;卫星的钟差主周期分别近似为其卫星轨道周期的1/2倍、1倍、2倍.

摘要： 在城市峡谷或者森林等遮挡环境下,北斗接收机无法接收到四颗以上卫星的信号,导致无法进行定位解算.导航系统在垂直方向上的定位精度往往略逊于水平方向.在接收机内使用芯片原子钟,可以提高系统的定位精度,尤其是垂直方向上的定位精度;并且利用原子钟的高稳定性,对钟差进行长时间、高精度的预测.仅观测三颗卫星便可以进行定位解算,提高了系统的可用性.如果仍然可获得多个观测值的话,则可以进一步提高系统的定位精度、可用性和可靠性.该文首先分析了时钟对接收机性能的影响,并通过对钟差噪声类型的分析确定了钟差预测方法,在60分钟后的钟差预测精度为6.9ns;然后理论分析了钟差辅助定位算法.最后,在模拟遮挡环境下进行了原子钟辅助北斗卫星导航系统定位试验,并分析了定位结果.结果表明:在一个小时内,遮挡环境(三颗星)下高程的定位精度与开阔环境下的定位精度保持在同一水平,但水平方向的定位精度略有降低.接收机的可用性得到了很大程度的提高.

摘要： 分析了当前电力同步系统面临的挑战和电力系统对时间同步精度要求,介绍了适用于电力同步系统的几种典型原子钟及其频稳与守时特性.针对电力系统铯原子钟应用状况与未来发展需要,提出了原子钟在省内传输网PRC与LPRC上应用的完善改进方法;基于电力系统现有铯原子钟单台分散使用现状,提出采用光纤双向传递设备对各省铯原子钟进行广域范围组网形成电力系统的原子钟组,充分挖掘电力系统铯原子钟战略资源价值;基于电力系统时间频率重要作用,提出建设以原子钟组为核心设备的电力系统全网时频中心方案,实现全网广域原子钟组授时与频率同步,代表电力系统统一溯源到国家计量院,形成中国电力系统一级电力系统时频中心.以原子钟为技术资源,以构建电力系统时间参量为使命,完善建设形成中国电力系统全网的时间频率体系,提供技术先进、稳定运行、安全可靠、电力系统时间频率信号,为电力系统稳定运行提供可靠的时间频率支撑.

摘要： 芯片级铯原子钟可以为许多便携式设备提供高精度和高稳定度的时间或频率基准,根据其工作原理,一个被用作微波信号源的小尺寸、低功耗、低相位噪声的4.596GHz压控振荡器是至关重要的组成部分.其中,低相位噪声的实现是最大的挑战,要求谐振电路具有高品质因数特性.基于此,本文利用具有高品质因数和良好温度稳定性的同轴谐振器,在ADS软件中根据虚拟地分析法完成了该压控振荡器的设计,并对其进行瞬态仿真和谐波平衡仿真,分别对电路输出信号的功率、相位噪声和频率调谐范围等进行验证.结果显示,其输出信号功率为-4.95dBm,相位噪声为-70.84dBc/Hz@300Hz和-81.68dBc/Hz@lkHz,压控调谐灵敏度约为4.5MHz/V,满足芯片级铯原子钟的应用需求.

摘要： 时频信号由原子钟产生.在时频系统中,系统输出时间频率信号需要保持连续性和稳定性,所以需要建立备份钟系统,与工作钟保持高精度的同步.为了更好地控制主钟系统,本文构建了一个工作钟和备份时钟一致性的测试系统.通过同步算法并开发相应的同步软件,对主备钟差进行了预测,自动计算给出相位微跃计的调整量,实现了主备原子钟的相位和频率同步.测试了不同驾驭周期下系统的控制准确性.测试结果表明,主备时钟频率控制算法可以将主备原子钟之间的偏差保持在±0.3ns,达到了设计要求.

摘要： 利用统计方法的时间尺度算法能最大限度消除单台原子钟噪声影响而得到最优的时间尺度,通常情况下,其稳定度优于单台原子钟所给出的时间尺度.随着对精密时间信号应用需求的提升,一些外场台站在拥有原子钟数量较小的情况下需要其独立的时间尺度,以满足无线站、数字时间服务及频率测量服务等需求.鉴于此,本文基于好的钟是可预测的钟的思想,采用了指数滤波方式计算钟组时间尺度.首先,分别以氢钟组和铯钟组作为研究对象,采用指数滤波方法实时预报各台原子钟的权重和速率,基于该时间尺度算法分别产生氢铯两种原子时间尺度.同时,对各钟组产生的时间尺度进行讨论和分析.结果表明,该算法所产生的铯钟组和氢钟组时间尺度在8小时的稳定度分别达2.55e-14、9.80e-15,可满足以上需求.

摘要： 本文介绍了测量不确定度的发展、定义、分析方法及其在时间频率领域的研究与应用.在时间频率测量中,时间频率基准往往作为时间频率测量的参考,它所包含的不确定因素是产生测量不确定度的重要组成部分,而时间基准通常是由守时系统建立和维持的.因此,本文对守时系统不确定度的主要来源进行了分析,对原子钟噪声、原子时算法、远程时间比对链路等带入的不确定度分析方法进行了研究,进一步研究了不确定度的合成方法,并以国家授时中心的守时系统为例进行了试验验证.最后,提出了减小不确定度的方法或应当注意的因素,为进一步提高守时能力奠定了基础,为守时工作的进一步发展提供重要的技术支撑.

摘要： 高丰度的87Rb、85Rb同位素是原子钟的核心工作物质,为了保证87Rb、85Rb同位素的丰度达到要求,进行了同位素电磁分离器的磁场垫片及束流输运模拟计算,对关键系统离子源、接收器系统进行了研制,改善了束流稳定性、高压打火频繁、接收器口袋温度等影响同位素丰度的关键问题,制定了电磁方法分离高丰度铷同位素的工艺流程,利用现有的EMIS-170电磁同位素分离器,开展了高丰度87Rb、85Rb稳定同位素的分离实验,确定了分离铷同位素理想的参数,最终获得了丰度达到要求的87Rb、85Rb同位素.

摘要： 铷85原子钟系统的闭环锁定需要一个基于变容二极管设计的3.035GHz压控振荡器(VCO)为其提供合适的微波信号,且该VCO对于原子钟系统性能的优劣具有很大的影响.对于该VCO的精准设计则需要准确的、考虑到实际工作环境的变容二极管电路模型.但是,变容二极管数据手册中的参数都是在低频条件下测量得到,无法满足S波段以及更高频率电路的设计需求.基于此,在对全双端口TRL校准的网络误差模型分析的基础上,根据实际应用需求设计了相应的TRL校准件,并通过测量若干特性已知的电感对其准确性与可靠性进行了验证,最后完成了对所用变容二极管的参数提取与等效电路模型的建立,从而为后续所设计VCO仿真结果的准确性提供了保障.

摘要： 原子钟是时间频率计量系统的核心部分,提高它的稳定性和可靠性对提高整个时间频率计量水平起着关键性作用.原子钟的频率存在偏差和漂移,但为了维持原子钟的稳定性,每一台原子钟输出的信号都可以看成是一个时间尺度,一般让原子钟保持自由运转状态,通过外部的相位微调器输入频率调整量实现原子钟的频率修正.研究本地原子钟的特性,根据共视比对结果,通过相位微调器的调整,实现本地UTC(k)与二中心的时间同步。

摘要： 本发明提出了构建一种虚拟化的原子钟系统，属于原子钟技术领域，多台实体原子钟经过比对测量单元，得到各台原子钟相对于参考TA的相对偏差信息，形成原始数据集，原始数据集经过分析，剔除原子钟的异常行为，如相位、频率或频率漂移的随机跳变，形成原子钟样本数据集，再经原子钟预测分析单元，利用算法学习原子钟的历史行为，外推预设时间的实体原子钟相对参考的偏差，得到钟差数据(TA‑T1)，取相同时刻实体原子钟与TA的偏差(TA‑T0)，进行数据转换，消除中间参考，得到虚拟原子钟与实体原子钟的相对偏差(T0‑T1)，其性能接近被测，以此作为参考评价实体原子钟性能并监控实体原子钟的异常行为。

摘要： 本发明公开了一种基于原子钟的沉浮式海底地震仪及原子钟驯服方法，属于海底地震仪技术领域。包括耐压舱、地震传感器、原子钟电路板，原子钟电路板用于为地震仪在海底工作期间提供有效可信的时钟源来实现自身数据的钟差校正。所述方法包括以下步骤：步骤1：MCU通过接收原子钟提供的高频振荡信号作为时钟源启动；步骤2：MCU对控制选择单元进行控制；步骤3：MCU对外部提供的PPS进行筛选算法判定外部时钟源类型；步骤4：MCU对控制选择单元进行控制；步骤5：MCU设置驯服参数给原子钟，并发送原子钟开始驯服指令；步骤6：在驯服过程中，MCU获取原子钟的驯服状态；步骤7：MCU发送驯服结束指令，原子钟驯服完成。本发明用于解决海底地震仪采集数据钟差的问题。

摘要： 本发明公开了一种铯束原子钟用光收集器及一种铯束原子钟，其中铯束原子钟用光收集器包括外壳、光窗筒、凸透镜光窗、发光二极管和磁屏蔽层，其中：外壳为立方体形状，磁屏蔽层覆盖在光收集器外壳的六个面；外壳的两个相对的侧面各开有一个光路孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的光路孔；外壳的另两个相对的侧面各开有一个原子束孔，覆盖该另两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的原子束孔；光收集器外壳的顶面开有光采集孔，覆盖该顶面的磁屏蔽层也相应的开有光采集孔；凸透镜光窗安装在光窗筒下部，发光二极管安装在光窗筒中。

摘要： 本发明公开了一种原子钟基准频率的获取方法及原子钟，该方法包括：用驱动电流源驱动半导体激光器，该半导体激光器同时受微波信号调制，可产生两个频率差与微波信号调制频率相等的泵浦激光，这两个泵浦激光与具有Λ三能级系统的原子作用，当微波信号的频率与原子Λ三能级系统的两个下能级间隔有偏差，偏差频率大于相干布居数囚禁(CPT)谱线半宽度时，则产生一个与CPT失谐瞬态振荡相同频率的驰豫振荡信号；将驰豫振荡信号的频率与微波信号的调制频率相加，即可得到原子钟的标准频率。按照上述方法设计的原子钟结构简单，省去了传统原子钟的锁定电路，提高了对外部环境的适应性。

摘要： 本发明涉及一种调制原子钟信号的方法和对应的原子钟。在振幅上脉冲调制激光束(L1、L2)以照射(A)互作用介质。进行当前脉冲(Sr)以及所述当前脉冲之前的脉冲(Sr-1至Sr-p)的检测(B)。通过线性组合叠加(C)所述脉冲以产生谱宽为最小的补偿原子钟信号(SHC)。本发明可应用于带有脉冲式询问的原子钟，其中互作用介质具有热或激光冷却原子。

摘要： 本发明公开了一种铯束原子钟用光收集器及一种铯束原子钟，其中铯束原子钟用光收集器包括外壳、光窗筒、凸透镜光窗、发光二极管和磁屏蔽层，其中：外壳为立方体形状，磁屏蔽层覆盖在光收集器外壳的六个面；外壳的两个相对的侧面各开有一个光路孔，覆盖该两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的光路孔；外壳的另两个相对的侧面各开有一个原子束孔，覆盖该另两个侧面的磁屏蔽层也开有对应的原子束孔；光收集器外壳的顶面开有光采集孔，覆盖该顶面的磁屏蔽层也相应的开有光采集孔；凸透镜光窗安装在光窗筒下部，发光二极管安装在光窗筒中。

摘要： 本申请涉及一种CPT原子钟的光学系统、CPT原子钟。光学系统包括：激光器、光学镜组、气室隔热组件、原子气室、光学探测器和机架，激光器、光学镜组、气室隔热组件、原子气室和光学探测器依次设置在机架上；原子气室内嵌于气室隔热组件中，且原子气室与气室隔热组件之间形成有隔热腔，隔热腔中设置有隔热组件。由于原子气室中的碱金属原子与激光器的输出的激光发生CPT共振现象，需要保持原子气室处于恒定温度状态，本系统通过设置气室隔热组件，减少原子气室的热量损失，从而降低原子气室部分的加热功耗。并且，在原子气室与气室隔热组件之间形成的隔热腔中设置隔热组件，减少原子气室和气室隔热组件的接触面积等，从而有效降低CPT原子钟的系统功耗。

摘要： 本发明公开了一种基于原子钟的沉浮式海底地震仪及原子钟驯服方法，属于海底地震仪技术领域。包括耐压舱、地震传感器、原子钟电路板，原子钟电路板用于为地震仪在海底工作期间提供有效可信的时钟源来实现自身数据的钟差校正。所述方法包括以下步骤：步骤1：MCU通过接收原子钟提供的高频振荡信号作为时钟源启动；步骤2：MCU对控制选择单元进行控制；步骤3：MCU对外部提供的PPS进行筛选算法判定外部时钟源类型；步骤4：MCU对控制选择单元进行控制；步骤5：MCU设置驯服参数给原子钟，并发送原子钟开始驯服指令；步骤6：在驯服过程中，MCU获取原子钟的驯服状态；步骤7：MCU发送驯服结束指令，原子钟驯服完成。本发明用于解决海底地震仪采集数据钟差的问题。

摘要： 本发明涉及一种微型原子钟物理封装及微型原子钟,包括第一螺母、第一筒体、第二筒体、第二螺母、线轴以及转接体，其中所述第一筒体安装在所述第一螺母内，所述第二筒体安装在所述第一筒体内，所述第二筒体相对所述第一螺母可以旋转，所述第二筒体通过所述第二螺母与所述线轴相连，所述线轴与所述转接体相连，所述第二筒体内设有第一波片，当旋转所述第二筒体时，所述第一波片随所述第二筒体的旋转而转动。本发明有利于加工制造，而且所述波片的位置可以改变，因此有利于调整到需要的角度。

摘要： 本发明提出了构建一种虚拟化的原子钟系统，属于原子钟技术领域，多台实体原子钟经过比对测量单元，得到各台原子钟相对于参考TA的相对偏差信息，形成原始数据集，原始数据集经过分析，剔除原子钟的异常行为，如相位、频率或频率漂移的随机跳变，形成原子钟样本数据集，再经原子钟预测分析单元，利用算法学习原子钟的历史行为，外推预设时间的实体原子钟相对参考的偏差，得到钟差数据(TA‑T1)，取相同时刻实体原子钟与TA的偏差(TA‑T0)，进行数据转换，消除中间参考，得到虚拟原子钟与实体原子钟的相对偏差(T0‑T1)，其性能接近被测，以此作为参考评价实体原子钟性能并监控实体原子钟的异常行为。