本發(fā)明涉及時間校準領域，尤其涉及一種備份式集成共振式授時系統(tǒng)校準方法。

背景技術：

隨著現(xiàn)代時間校準科技技術與制造工藝的加速提升，使得時間校準的應用更加民用化、普及化，而且性能指標也得到提升。即便這樣，但對于運行于衛(wèi)星上的時間校準而言，我們還關心它的一個性能參數(shù)，即壽命。用于空間站或衛(wèi)星上的時間校準因為承擔了長期的跟精密時間相關的工作，如果由于時間校準內部物理系統(tǒng)部分的堿金屬原子消耗待盡而繼續(xù)無法服役，我們只能夠從地面上重新?lián)Q一臺時間校準上天才能維持它所承擔工作的延續(xù)性，這顯然對連續(xù)精密時間任務是非常不利的，而且會給我們帶來換鐘的麻煩。

基于以上原因，需要一種備份式集成共振式授時系統(tǒng)校準方法被設計出來，通過在物理系統(tǒng)中本專利設置了兩個性能完全一致的集成濾光共振吸收泡，并構建了兩組微波激勵結構，結合外圍兩組電路實現(xiàn)整個時間校準系統(tǒng)的閉環(huán)鎖定。這相當于在一個體系中提供了兩個完全一樣的時間校準，所以當外界環(huán)境變化，諸如溫度的變化，電磁輻射干擾等這兩個系統(tǒng)都應該得到一樣的反映，我們正是利用這一點，來完成一臺時間校準的長壽命工作備份，即一種備份式集成共振式授時系統(tǒng)校準方法。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術的不足，提供了一種備份式集成共振式授時系統(tǒng)校準方法。

本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)：

一種備份式集成共振式授時系統(tǒng)校準方法，包括相互信號連通的光抽運譜燈、共振探測部分、壓控晶體振蕩器vcxo和伺服電路。

所述光抽運譜燈是一個無極放電的銣燈，燈泡內除了充有銣外，還充有激發(fā)電位低的惰性啟輝氣體。常用的啟輝氣體為kr或ar。整個燈由射頻源激勵發(fā)光。

所述壓控晶體振蕩器vcxo是激勵微波場的初始信號源，并提供標準頻率輸出，其振蕩頻率受伺服糾偏電壓控制，對時間校準而言，它的相位噪聲決定了伺服環(huán)路帶寬以外的輸出信號的相噪特性。

所述伺服電路將物理系統(tǒng)輸出的量子鑒頻信號轉變?yōu)橹绷骷m偏電壓，來控制壓控晶體振蕩器的輸出頻率，從而完成環(huán)路的鎖定。

所述共振探測部分由微波腔、c場、集成濾光共振泡、光電池等組成。

進一步地，所述微波腔的主要作用是為原子的微波共振提供合適的微波場，通過耦合環(huán)將外部電子線路的微波引入腔體中。同時受恒溫控制，為集成濾光共振泡提供溫度恒定的工作環(huán)境。

進一步地，所述c場線圈的作用是產生一個和微波磁場方向相平行的弱靜磁場，使原子基態(tài)超精細結構發(fā)生塞曼分裂，并為原子躍遷提供量子化軸，同時通過調節(jié)ｃ場電流的大小，改變磁場的強度，微調系統(tǒng)的輸出頻率。

進一步地，所述光電池，作為集成濾光共振泡透射光的探測器。

進一步地，所述集成濾光共振泡是整個物理系統(tǒng)的關鍵部件，在集成濾光共振泡中為進行濾光和原子共振，除需要充入適量的87rb及85rb外，還需充入適當壓力的混合緩沖氣體，以進行熒光焠滅、能級混雜和減小多譜勒頻移。集成濾光共振泡中的87rb原子的基態(tài)超精細躍遷頻率即是銣時間校準的量子鑒頻參考頻率。本專利擬用兩個集成濾光共振泡組成，中間用金屬屏蔽層隔離因微波輻射干擾引起的影響。

進一步地，在物理系統(tǒng)中本專利設置了兩個性能完全一致的集成濾光共振吸收泡，并構建了兩組微波激勵結構，結合外圍兩組電路實現(xiàn)整個時間校準系統(tǒng)的閉環(huán)鎖定。這相當于在一個體系中提供了兩個完全一樣的時間校準，所以當外界環(huán)境變化，諸如溫度的變化，電磁輻射干擾等這兩個系統(tǒng)都應該得到一樣的反映。我們正是利用這一點，來完成一臺時間校準的長壽命工作備份。如圖2所示，平時左邊的集成濾光共振泡按照傳統(tǒng)時間校準原理參與正常的光抽運、光檢測，即有微波信號通過耦合環(huán)1作用到系統(tǒng)中，而此時右邊的泡并沒有微波場能量的饋入，隨著時間的流逝，左邊集成濾光共振泡中的堿金屬元素將逐漸消耗，而右邊的由于沒有消耗，比如說在5年后中，左邊的泡將成為廢泡，這時系統(tǒng)將啟用右邊的泡進行長壽命的工作延續(xù)，此時微波信號通過耦合環(huán)2饋入到右邊的腔泡系統(tǒng)中。

具體方案如圖3所示。圖3中光電池1包含兩塊同一廠商、同一型號的兩塊光電池1a、1b，并分別服務于同步鑒相1和同步鑒相2模塊。而光電池2處只含有一個光電池，選擇上與上述1a、1b一致。

溫度控制模塊：里面含有溫控芯片（控溫用）、以及熱敏電阻（測溫用）。受中央處理器控制可以設定溫度值t，由于整個溫度控制模塊置于高穩(wěn)晶振vcxo(溫控模塊1)和微波射頻源(溫控模塊2)中，所以中央處理器可以設置對應的工作環(huán)境溫度、以及獲得實際的工作環(huán)境溫度信息。

其原理如圖4所示；其中兩個r以及r1為具有相同溫度系數(shù)的電阻，其阻值應該選擇與rk相當。這里r1的值反映了實際工作環(huán)境溫度t。rk為一個熱敏電阻，它貼于溫控模塊的表面，用以感知實際的工作環(huán)境溫度t。故當工作環(huán)境溫度t無變化時，上圖中電橋處于平衡，輸送至加熱線圈環(huán)路的溫度補償電壓值為0。一旦工作環(huán)境溫度t發(fā)生變化，則熱敏電阻rk的阻值將變?。囟壬撸┗蜃兇螅囟冉档停敲措姌騼啥舜嬖陔妷翰?，經運算放大器a差分放大后變?yōu)闇囟妊a償電壓輸送至電壓源，同時輸出給傳統(tǒng)加熱絲線圈環(huán)路。整個電路的放大增益由運算放大器的負反饋電阻rw調節(jié)，rw為一數(shù)字電位計，通過調節(jié)rw的阻值以達到上述電路補償因子改變功能。

增益調節(jié)模塊如圖5所示，圖5中的橋路測溫模塊與上述所說的溫控模塊原理一致。

壓控模塊中的橋路測溫主要由兩個阻值相同的r，一個預設溫度值熱敏電阻傳感器ro（它決定了vcxo的工作環(huán)境溫度）及測溫熱敏電阻rk組成。當vcxo工作環(huán)境溫度恒定時，即熱敏電阻rk測量值與預設值ro相等，此時電阻橋路a、b端輸出電壓差將為0，整個壓控模塊輸出端uout輸出為0。當vcxo工作環(huán)境溫度發(fā)生改變時，則橋路的a、b端形成一定的電壓差，通過電壓跟隨器a1及a2的傳遞送至a3進行差分放大，考慮到放大后的電壓差能夠有效得采集，所以在差分放大a3的輸出端增加了一個增益線性調節(jié)電路a4。得到的壓控模塊電壓差uout與中央處理器產生的壓控電壓求和后，送至vcxo模塊。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的有益效果是：通過在物理系統(tǒng)中本專利設置了兩個性能完全一致的集成濾光共振吸收泡，并構建了兩組微波激勵結構，結合外圍兩組電路實現(xiàn)整個時間校準系統(tǒng)的閉環(huán)鎖定。這相當于在一個體系中提供了兩個完全一樣的時間校準，所以當外界環(huán)境變化，諸如溫度的變化，電磁輻射干擾等這兩個系統(tǒng)都應該得到一樣的反映，我們正是利用這一點，來完成一臺時間校準的長壽命工作備份。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的工作原理圖；

圖2為本發(fā)明中集成濾光共振吸收泡原理圖；

圖3為本發(fā)明中改進的遲滯伺服系統(tǒng)原理圖；

圖4為本發(fā)明中溫度控制模塊工作原理圖；

圖5為本發(fā)明中增益調節(jié)模塊工作原理圖。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

請參閱圖1-5，圖1為本發(fā)明的工作原理圖，圖2為本發(fā)明中集成濾光共振吸收泡原理圖，圖3為本發(fā)明中改進的遲滯伺服系統(tǒng)原理圖，圖4為本發(fā)明中溫度控制模塊工作原理圖，圖5為本發(fā)明中增益調節(jié)模塊工作原理圖。

一種備份式集成共振式授時系統(tǒng)校準方法，包括相互信號連通的光抽運譜燈、共振探測部分、壓控晶體振蕩器vcxo和伺服電路，所述光抽運譜燈是一個無極放電的銣燈，燈泡內除了充有銣外，還充有激發(fā)電位低的惰性啟輝氣體。常用的啟輝氣體為kr或ar。整個燈由射頻源激勵發(fā)光，所述壓控晶體振蕩器vcxo是激勵微波場的初始信號源，并提供標準頻率輸出，其振蕩頻率受伺服糾偏電壓控制，對時間校準而言，它的相位噪聲決定了伺服環(huán)路帶寬以外的輸出信號的相噪特性，所述伺服電路將物理系統(tǒng)輸出的量子鑒頻信號轉變?yōu)橹绷骷m偏電壓，來控制壓控晶體振蕩器的輸出頻率，從而完成環(huán)路的鎖定，所述共振探測部分由微波腔、c場、集成濾光共振泡、光電池等組成。

作為本發(fā)明一個較佳的實施例，本發(fā)明前3-5年圖3的工作模示如下：

綜合模塊產生的調制信號與同步1、同步2信號是相干的三路信號，即頻率與相位均相同。

1、系統(tǒng)首先分別啟動同步鑒相1、同步鑒相2按照傳統(tǒng)伺服原理完成圖1的整個物理系統(tǒng)中原子吸收譜線的掃頻，并同時獲得相應的頻率f1、f2處對應的電壓值v1、v2，對于同步鑒相1而言我們記為v11、v12，而對于同步鑒相2而言我們記為v21、v22，并同時存儲于中央處理器中。

2、然后，圖3系統(tǒng)進入閉環(huán)工作時，我們以同步鑒相1模塊作為傳統(tǒng)的同步鑒相主模塊，而同步鑒相2模塊用于輔助判斷。按照傳統(tǒng)的方案，dv1=v11-v12將作為整個物理系統(tǒng)是否閉環(huán)鎖定的判斷依據(jù)，這個依據(jù)已經由中央處理器存儲并由它來判斷，即現(xiàn)在假如不使能同步鑒相2工作，系統(tǒng)將以同步鑒相1工作在某一時刻，獲得的同步鑒相誤差信號dw1傳遞至中央處理器，中央處理器將做如下運算：dw1-dv1，如果為負數(shù)，中央處理器將輸出相應的量子糾偏信號作用于高穩(wěn)定晶振，使其輸出頻率值上升；同樣，如果為正數(shù)，中央處理器將輸出相應的量子糾偏信號作用于高穩(wěn)定晶振，使其輸出頻率值下降。最終動態(tài)的使dw1-dv1=0。

3、跟傳統(tǒng)技術相比，我們引入了輔助模塊同步鑒相2。由于進入同步鑒相1、同步鑒相2的量子鑒頻信號均是來自于圖2中物理系統(tǒng)中的左邊集成濾光共振系統(tǒng)中的光電池1a、1b。在這里我們希望獲得的兩路量子鑒頻信號能夠反映一致的信息，故對于用te111形式的諧振腔而言，微波磁場的縱向分量的強度在耦合環(huán)兩側最強，所以在工作狀態(tài)下原子共振躍遷信號最強的地方在腔體兩邊，故將光電池1a與光電池1b對稱地安裝在中心軸線的兩側。這樣它們獲得的信號最強并且能夠一致的反映物理系統(tǒng)的量頻情況。

按照上述2的方法，中央處理器將分別判斷dw1-dv1、dw2-dv2，如果它們同時為正或負，說明系統(tǒng)由于物理系統(tǒng)部分原因需要糾偏，那么中央處理器將按照上述2的方式利用同步鑒相1完成整個閉環(huán)鎖定。

如果中央處理器將分別判斷dw1-dv1、dw2-dv2，它們出現(xiàn)（正、負）或（負、正），說明系統(tǒng)可能是由于外圍電路的干擾出現(xiàn)了不同的糾偏需求，此時，中央處理器將不進行糾偏操作，即不改變高穩(wěn)晶振的頻率。

如果中央處理器將分別判斷dw1-dv1、dw2-dv2，它們出現(xiàn)（0，正或負），那么由于同步鑒相1為主同步鑒相模塊，所以中央處理器認為此時已鎖定，將不進行糾偏操作，即不改變高穩(wěn)晶振的頻率。

如果中央處理器將分別判斷dw1-dv1、dw2-dv2，它們出現(xiàn)（正或負，0），那么由于同步鑒相1為主同步鑒相模塊，所以中央處理器認為此時并未鎖定，將進行糾偏操作，即改變高穩(wěn)晶振的頻率。

上述的四種情況，中央處理器分別進行相應的操作，直至dw1-dv1=0實現(xiàn)整個系統(tǒng)的閉環(huán)鎖定。

以上采用同步鑒相1和同步鑒相2同時工作模示，是為了進一步提高系統(tǒng)的短期穩(wěn)定度及避免因外圍干擾或內部工作造成的干擾而設置的。

作為本發(fā)明另一個較佳的實施例，本發(fā)明3-5年過后，圖3工作模示如下：

綜合模塊產生的調制信號與同步1信號是相干的二路信號，即頻率與相位均相同，但不再產生同步2信號，因為此時，3-5年后系統(tǒng)已經進入非常穩(wěn)定工作運行狀態(tài)，不需要考慮系統(tǒng)的短穩(wěn)，更多的是考慮時間校準的壽命。所以此時我們關閉了同步鑒相2的輔助判斷模塊。

按照傳統(tǒng)的方案，dv1=v11-v12將作為整個物理系統(tǒng)是否閉環(huán)鎖定的判斷依據(jù)，這個依據(jù)已經由中央處理器存儲并由它來判斷，系統(tǒng)將以同步鑒相1工作在某一時刻，獲得的同步鑒相誤差信號dw1傳遞至中央處理器，中央處理器將做如下運算：dw1-dv1，如果為負數(shù)，中央處理器將輸出相應的量子糾偏信號作用于高穩(wěn)定晶振，使其輸出頻率值上升；同樣，如果為正數(shù)，中央處理器將輸出相應的量子糾偏信號作用于高穩(wěn)定晶振，使其輸出頻率值下降。最終動態(tài)的使dw1-dv1=0。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。