專利名稱：噴泉鐘頻率偏移不確定度的自比對評估方法
技術領域：
本發(fā)明涉及噴泉原子鐘，特別是一種噴泉原子鐘(以下簡稱噴泉鐘)頻率不確定度的自比對評估方法。
背景技術：
原子鐘是時間的計量儀器。其工作原理是本地振蕩器Ia輸出微波信號一路經(jīng)過倍頻之后輸入原子鐘微波腔4b與原子作用，原子系統(tǒng)起到鑒頻器的作用，原子的躍遷幾率差反映了誤差信號的大小，將誤差信號變化成電壓信號后通過伺服控制5a鎖定本振la，本振Ia輸出的另一路頻率信號即作為原子頻標信號，通過修正和處理得到精準的時間信號。原子鐘的瞬態(tài)輸出頻率可以寫為:v(t) zv^l+e+ya))，其中Vtl對應原子在無干擾條件下躍遷頻率，e是相對頻率偏移，由不同偏移成分^構成，e =表征相對頻移起伏，它的長期統(tǒng)計特性反映了鐘頻率的穩(wěn)定度，及不確定度置信水平。由外部不同物理因素引起的原子鐘頻移及頻移不確定度評估是原子鐘研究的重要工作。傳統(tǒng)的原子鐘頻移及頻移不確定度評估方法(請參見圖2)需要外部參考鐘2c和外部比相儀5c參與原子鐘Ic的評估過程。原子鐘Ic輸出的標準頻率信號3c與氫鐘2c輸出的標準頻率信號4c同時輸入比相儀5c得到誤差信號6c。重復上述過程一段時間，獲得一組誤差頻率信號后，對記錄的數(shù)據(jù)做誤差分析7c。傳統(tǒng)原子鐘頻移及頻移不確定度評估過程必需外部參考鐘2c和比相儀5c，增加了評估工作的難度，實際實驗過程中如遇到參考鐘2c出問題，會嚴重影響后續(xù)評估工作的進行。另一方面，傳統(tǒng)評估方法所得到的頻移不確定度評估結果精度受到參考鐘性能影響，阿蘭方差是參考鐘與原子鐘的總體結果，氫鐘長期運行過程存在頻率漂移，限制了頻移不確定度的評估精度。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于解決上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種噴泉原子鐘頻率不確定度的自比對評估方法，該方法不需要外部參考鐘及比相儀，避免了由于參考鐘遇到故障對評估工作造成影響的風險，消除了傳統(tǒng)比對法中由外部參考鐘自身頻率漂移對噴泉鐘的影響，使頻移不確定度評估精度提高。本發(fā)明的具體方案如下:一種噴泉鐘頻率偏移不確定度的自比對評估方法，其特點征在于該方法包括以下步驟:①開啟噴泉原子鐘獲得標準頻率信號輸出；②噴泉原子鐘標準運行:通過數(shù)字功率衰減器調節(jié)微波功率，使微波腔輸入的微波脈沖為n/2脈沖，在該/2微波脈沖條件下，有銣源上拋的銣87原子經(jīng)過冷卻區(qū)、選態(tài)區(qū)、探測區(qū)進入微波腔第一次與n /2微波脈沖作用，然后自由上拋飛行下落，又進入微波腔，第二次與n/2微波脈沖作用，在探測區(qū)得到探測原子能級布局數(shù)，根據(jù)能級布局數(shù)與原子躍遷幾率的關系，及輸入微波頻率與躍遷幾率的關系給出誤差信號A V1，通過伺服反饋環(huán)路鎖定參考晶振，一個噴泉原子鐘標準運行過程持續(xù)時間為3.5s ；③噴泉原子鐘參量改變運行:噴泉鐘標準運行過程結束后，通過數(shù)字功率衰減器調節(jié)微波功率，使微波腔輸入的微波脈沖為3 /2脈沖，銣源上拋的銣87原子經(jīng)過冷卻區(qū)、選態(tài)區(qū)、探測區(qū)，在所述的微波腔第一次與3 /2微波脈沖作用，然后經(jīng)自由上拋飛行下落，在微波腔第二次與3 /2微波脈沖作用，在探測區(qū)得到探測原子能級布局數(shù)，根據(jù)能級布局數(shù)與原子躍遷幾率的關系，及輸入微波頻率與躍遷幾率的關系給出誤差信號A V'，記錄該誤差信號，注意此過程誤差信號A V \不反饋給原子鐘參考晶振，一個噴泉原子鐘參量改變運行過程持續(xù)時間也為3.5s ；④重復上述步驟②③共n — I次，噴泉原子鐘交替工作在標準運行和參量改變運
行，得到一組標準運行誤差信號Av1, A V2......A Vn和一組參量改變運行誤差信號數(shù)
據(jù) Av’ p Av’ 2......Avjn5⑤求參量改變運行過程誤差信號的時間平均頻率偏移:〈 A，V >=( A V，V，2+......+A v，n)/3.5n ;⑥對參量改變運行過程誤差信號A V ’ i，A V ’ 2......A V ’ n按下列公式作阿蘭
方差分析:
權利要求
1.一種噴泉鐘頻率偏移不確定度的自比對評估方法，其特征在于該方法包括以下步驟: ①開啟噴泉原子鐘(Id)獲得標準頻率信號輸出； ②噴泉原子鐘標準運行(2d):通過數(shù)字功率衰減器調節(jié)微波功率，使微波腔(4b)輸入的微波脈沖為n/2脈沖，在該/2微波脈沖條件下，有銣源(Sb)上拋的銣87原子經(jīng)過冷卻區(qū)(7b)、選態(tài)區(qū)(6b)、探測區(qū)(5b)進入微波腔(4b)第一次與/2微波脈沖作用，然后自由上拋飛行下落，又進入微波腔(4b)，第二次與/2微波脈沖作用，在探測區(qū)(5b)得到探測原子能級布局數(shù)，根據(jù)能級布局數(shù)與原子躍遷幾率的關系，及輸入微波頻率與躍遷幾率的關系給出誤差信號A V1 (10d)，通過伺服反饋環(huán)路鎖定參考晶振，一個噴泉原子鐘標準運行(2d)過程持續(xù)時間為3.5s ； ③噴泉原子鐘參量改變運行(3d):噴泉鐘標準運行(2d)過程結束后，通過數(shù)字功率衰減器調節(jié)微波功率，使微波腔(4b)輸入的微波脈沖為3 /2脈沖，銣源(Sb)上拋的銣87原子經(jīng)過冷卻區(qū)(7b)、選態(tài)區(qū)(6b)、探測區(qū)(5b)，在所述的微波腔(4b)第一次與3 /2微波脈沖作用，然后經(jīng)自由上拋飛行下落，在微波腔(4b)第二次與3 /2微波脈沖作用，在探測區(qū)(5b)得到探測原子能級布局數(shù)，根據(jù)能級布局數(shù)與原子躍遷幾率的關系，及輸入微波頻率與躍遷幾率的關系給出誤差信號Av' (lld)，記錄該誤差信號，注意此過程誤差信號A V^1 (Ild)不反饋給原子鐘參考晶振，一個噴泉原子鐘參量改變運行(3d)過程持續(xù)時間也為3.5s ； ④重復上述步驟②③共n— I次，噴泉原子鐘交替工作在標準運行(2d)和參量改變運行(3d)，得到一組標準運行(2d)誤差信號A V1, A V2......A 〃 和一組參量改變運行誤差信號數(shù)據(jù)A V，p A v’2……A v’n; ⑤求參量改變運行過程誤差信號的時間平均頻率偏移: 〈A，V >= ( A V，片 A V，2+......+A V，n) /3.5n ; ⑥對參量改變運行(3d)過程誤差信號AV ’ i，A V ’ 2......A V ’ 按下列公式作阿蘭方差分析:
2.根據(jù)權利要求1所述的噴泉鐘頻率偏移不確定度的自比對評估方法，其特征在于所述的在探測區(qū)(5b)得到原子能級布局數(shù)是指利用基于原子飛行時間法的雙能級熒光探測法，分別探測處于上下能級的原子與探測光作用產(chǎn)生的熒光光子數(shù)，正比于上下能級原子數(shù)，由光電管將熒光信號變成電壓信號輸出，探測得到原子的躍遷幾率為P = N2/(NJN2)，其中N2為處于上能級的原子數(shù)，正比于探測光與上能級原子作用產(chǎn)生的熒光光子數(shù)A1為處于下能級的原子數(shù)，正比于探測光與下能級原子作用產(chǎn)生的熒光光子數(shù)A+N2為原子總數(shù)。
3.根據(jù)權利要求1所述的噴泉鐘頻率偏移不確定度的自比對評估方法，其特征在于所述的由輸入微波頻率與躍遷幾率的關系給出誤差信號A V1 (IOd)及Av' (Ild)是指由上述熒光探測法探測到的躍遷幾率P，及其與微波失諧A的關系
全文摘要
一種噴泉鐘頻率偏移不確定度的自比對評估方法，通過改變引起噴泉鐘頻移的物理量，使噴泉鐘交叉工作在參量改變前和參量改變后兩種工作狀態(tài)，分別采集鑒頻信號，通過數(shù)據(jù)處理，實現(xiàn)噴泉鐘自比對法不確定度評估。本發(fā)明無需外部參考鐘及比相儀，避免了由于參考鐘遇到故障對評估工作造成影響的風險，消除了傳統(tǒng)比對法中由外部參考鐘自身頻率漂移對噴泉鐘的影響，提高了頻移不確定度的評估精度。
文檔編號H03L7/26GK103199860SQ201310065028
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權日2013年3月1日
發(fā)明者董日昌, 魏榮, 杜遠博, 王育竹 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所