氢脉泽调制技术和研究

对于氢原子钟,由于微波谐振腔的腔牵引效应以及外部环境温度的变化,影响谐振腔的振荡频率,导致氢原子钟长期频率稳定度降低。为了修正这种情况,使用腔自动调谐方式实现谐振腔的频率稳定在工作频率上。目前国内外主要采用的腔自动调谐技术包括3种:外部探测信号调谐方式、微波腔频率开关调谐方式和Qa调制方式。对外部探测信号调谐方式和微波腔频率开关调谐方式进行分析,并在上海天文台SOHM-4型外部探测信号调谐方式的基础上进一步探索微波腔频率开关调谐方式。基于数字信号处理器进行电路设计与程序开发,最终在SOHM-4型氢原子钟上实现腔自动调谐。     

主钟的频率驾驭算法研究

各时间实验室产生的标准时间UTC(k)是UTC(协调世界时)在各时间实验室的物理实现.为了更好地驾驭主钟系统,使得主钟系统输出时间与标准时间UTC的偏差尽可能地小,且主钟系统输出的信号满足好的短、长期稳定度,因此提出了一种新的驾驭算法,并编制了相应的软件,自动定时计算给出相位微调仪的调整量,从而使频率驾驭后的主钟系统输出时间与标准时间UTC的偏差控制在较小的相位偏差范围内,并尽量不影响其稳定度.测试结果表明了新的主钟频率驾驭算法可以实现相位偏差保持在±15 ns之内,并且在保证不降低UTC(k)长期稳定度的前提下,可以提高它的短期稳定度.     

氢脉泽长期性能的改进

腔失谐引起的牵引效应是限制氢脉泽长期稳定度的主要因素,并使时畴测量中的频率稳定度出现不随τ变化的“平坦区域”。本文叙述了近一年来我们为了减小腔牵引所做的实验和改进。通过腔频温度补偿实验而使腔频温度系数小于100Hz/℃;腔温也从50℃降低到约30℃,使原子谐振谱线Q值增大了1.5倍。初步的比对结果表明,作了上述改进后的氢原子钟(锁相晶振)的长期稳定度达到±(4-7)×10~(-14)/日。     

基于液晶相位可变延迟器频率调谐外腔半导体激光器

利用液晶相位可变延迟器慢轴折射率随外加电压变化的特性,研制了一台用液晶进行频率调谐的分布反馈(DFB,distributed feedback)外腔半导体激光器。液晶DFB外腔激光器输出激光线宽为475 kHz,液晶电压变化1.6 V(0.5～2.1 V)时,激光频率变化为7 GHz,覆盖了Cs原子D2线的全部饱和吸收谱线。在实现外腔半导体激光器方法中,应用液晶调相较应用压电陶瓷(PZT)改变腔长,其具有调谐电压低,回程误差小,并可以消除机械稳定性差等特点。     

光纤时间传递系统中时钟驯服模块的设计和实现

提出了一种基于光纤时间传递系统的时钟驯服模块设计方案。介绍了系统硬件的组成。在对信道特性和压控晶振进行理论和实验分析的基础上,设计实现了适用于光纤信道特性的卡尔曼滤波算法以及驯服流程控制程序。实验测试表明：该模块能结合恒温晶振短期稳定度好和光纤时间传递系统秒脉冲长期稳定度好的优点,时间传递的精度优于0．25ns（1σ）,输出的秒脉冲的长期稳定度优于10^-14。     

光纤时间传输及相位补偿

介绍了国外几种利用光纤进行时间频率传递的方法和经验.对无补偿光纤时间频率传递方法、双向时间频率传递方法、光学机械温度补偿方法及电子共轭相位补偿方法作了较详细的描述.光纤时延主要随温度而变化,在200 km以内,时延的日变化为几纳秒,月变化为十几纳秒.在50 km内利用光纤传输100 MHz频率信号时,在不补偿情况下频率稳定度为: 3×10-14/s,1×10-15/d;光学补偿后的频率稳定度可达到1.5×10-14/s,1×10-17/d.电子共轭相位补偿后,温度变化20℃引起的相位变化降低了45倍.光纤传输对短期频率稳定度影响较小,对日及更长期的频率稳定度影响较大.     

一种用于氢脉泽自支调谐的高稳锁相接收系统

本介绍了一种高稳定锁相接收系统，这种系统不仅整体合一、体积小、而且性能优良、可靠性高，为氢频标的工种化、商品化提供了条件。它可以提高氢脉泽频标的长期频率稳定度，对影响氢脉泽频标中短期频率稳定度的旧的电子系统也有所改善。章详细介绍该系统的工作原理、设计原则和各项技术指标，并对环路的性能进行了分析，最后给出了该系统的实测应用结果。     

一种高性能宽带机械可调100—115GHz体效应管电调振荡器

本文介绍了一种高性能W波段高频端Gunn管固态振荡器的研制工作,该振荡器为基波和二次谐波频率设计了一个公共波导振荡腔,基波频率低于W波导截止频率,很易于活塞和变容管调谐.由于采取了改进措施,机械调节频宽达100—115GHz,带内功率输出均大于5mW,最大输出可达18.5mW,改变Gunn管偏压获得的线性电调范围大于250MHz.振荡器频率高,功率输出大,频谱纯,已应用于紫金山天文台大型毫米波望远镜2.6mm渡段的锁相本振系统.     

脉冲星对氢原子钟的频率驾驭算法研究

氢原子钟具有较高的短期稳定度,将其作为主钟可在短期内产生高精度的本地时间信号.但氢钟存在频率漂移现象,导致其长期稳定度较差,从而影响本地时间的准确性.毫秒脉冲星自转高度稳定,借助于其长期稳定度高的特性,可定期实现对氢原子钟的频率驾驭,并对实时信号加以控制.首先分析了国际脉冲星计时阵(International Pulsar Timing Array,IPTA)第二批发布数据中四颗毫秒脉冲星的稳定度随时间的变化,同时采用哈达玛方差分析了中国科学院国家授时中心(National Time Service Center,NTSC)一台氢钟的频率稳定性能,最终给出了利用脉冲星驾驭氢原子钟频率的方法.     

基于脉冲星的星载钟时间修正算法研究

讨论了一种对长期在轨运行的星载钟的钟差进行修正的方法,该方法以导航用毫秒脉冲星作为高稳定度频率源,采用卡尔曼最优估计算法对星载钟进行控制。仿真计算表明,该方法可以有效提高星载钟的长期频率稳定度,增强星载钟的长期自主运行能力。     

SOHM-4型氢原子钟的设计改进与初步性能

氢原子钟是一种最稳定的 (除极短测量时间间隔之外 )频率标准 ,但是环境温度变化及微波谐振腔老化会引起原子钟输出频率的变化 ,从而导致氢原子钟长期性能变差。为了减小这些影响 ,可借助一种自动调谐器来确保谐振腔的频率始终工作在所需的频率上 ,并采用新的温度控制系统来改善氢原子钟的长期性能。针对这些年来许多氢钟出现的有关问题 ,上海天文台在借鉴国外氢钟实验室经验的基础之上 ,对原有氢钟进行了技术改造 ,并为国家授时中心研制了SOHM - 4型氢原子钟。对该型氢原子钟技术改造特点作了介绍 ,并给出了期望的性能指标及初步的测试结果     

综合脉冲星时的小波分析算法

由单脉冲星定义的脉冲星时受几种噪声源的影响,为削弱这些影响得到一种更稳定的时间尺度,采取将多颗脉冲星定义的单脉冲星时进行综合的分析方法得到综合脉冲星时．用两种方法:经典加权算法和小波分解算法,对PSRB1855 09和PSR B1937 21两颗脉冲星进行综合计算并做出比较,经典加权算法无法兼顾脉冲星不同频率上的稳定度,而用小波分析的方法对PSR B1855 09和PSR B1937 21两颗脉冲星进行综合,能够有效抑制不同频率上噪声的影响,达到更好的效果．     

一种新的守时型原子钟综合时间尺度方法研究

在这篇文章中, 提出了一种基于改进的指数平滑和Vondrak_Cepek联合平滑的氢铯综合时间尺度产生方法. 以最小误差方法为理论基础, 动态估计氢原子钟频率漂移参数, 提升氢原子钟钟差预测准确度; 基于改进的二次指数平滑产生氢原子钟组时间尺度、加权平均方法产生铯原子钟时间尺度, 同时设计Vondrak_Cepek滤波器以结合两类时间尺度长短期稳定度优势, 提升综合时间尺度性能. 实验结果表明, 所提方法产生的氢铯综合时间尺度时稳可达1.60x10^-15,天稳可达3x10^-15,优于ALGOS、AT1和Kalman滤波3种经典方法产生的时间 尺度性能.     

657nm外腔半导体激光器的实现

对一种Littman-Metcalf外腔结构半导体激光器的实现过程作了报道.利用这种结构的光反馈特性,使原来自由运转时波长在660nm附近的半导体激光器在常温下能够调节到657nm附近,并且把激光线宽从原来的30MHz压窄到100kHz左右,连续调节范围大约为10GHz.这种窄线宽的激光器将用在钙原子Ramsey光谱的实验中.     

Research on the Methods of Performance Monitoring and Evaluation for Active Hydrogen Maserstwo

Active hydrogen maser is the main frequency standard for establishing and maintaining the time scale. It has the characteristics of high short-term stability and low phase noise. At present, it plays an increasingly important role in the international atomic time (TAI) and various local time scales. Firstly, in combination with the internal state parameters of an active hydrogen maser, the correlation between the internal state parameters and the comparison data of a hydrogen maser is analyzed, and a method for the performance monitoring of a hydrogen maser is proposed. Secondly, according to the characteristics of hydrogen maser performance, a method for evaluating the performance of a hydrogen maser is given. The hydrogen maser performance includes mainly two aspects, namely the frequency stability and predictability. The performances of two types of active hydrogen masers (CH1-75 and MHM-2010) are evaluated by this method. The correlation analysis of the atomic clock state parameters and comparison data shows that the state parameter monitoring can effectively predict the variation of the hydrogen maser performance. The evaluation results of atomic clock frequency stability and predictability show that the atomic clock with a higher medium-and-long term frequency stability has a better predictability. There are two methods for the predictability evaluation, one is based on the data published by BIPM (Bureau International des Poids et Measures), and another one is based on the quadratic model. Both methods are consistent with the weights published by BIPM. Therefore, the two methods can be used as a quantitative method to evaluate the predictability of a hydrogen maser.     

基于LabwindowsCVI的外腔半导体激光器数字稳频系统设计

为抑制外腔半导体激光器频率漂移,提高频率稳定性,提出一种数字稳频方法。该方法采用数据采集卡,基于LabwindowsCVI语言实现数字锁相放大模块获得稳频误差信号,通过此信号控制压电陶瓷电压,将852 nm外腔半导体激光器的频率锁在铯原子谱线上,实现20 s频率稳定度8.7×10-11。该数字稳频方法降低了人力成本,易升级和修改,具有移植性好和用户界面友好等优点。     

数字调频和数字伺服在被动型氢原子钟上的应用

简单介绍了被动型氢原子钟的组成及原理,阐述了基于数字调频和数字伺服的电子电路在被动型氢原子钟上的应用(目的是改善钟性能),并给出了设计的最终测试结果及其分析,数据表明该系统的稳定度比原有系统有很大提高。为了进一步改善钟性能,又对伺服系统提出了以数字信号处理器(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)为主体的新的方案。     

脉冲微波式氢原子钟初期电路设计

上海天文台时间频率研究室以原有被动型氢钟物理部分为基础,开展了脉冲微波式氢原子钟的研究。设计电路产生2个相干微波脉冲,连续激励氢原子跃迁,模拟双腔共振,使氢原子发生Ramsey干涉,压缩氢原子跃迁谱线宽度,以期提高氢原子钟短期稳定度指标。具体做法为:用DDS产生扫频电路,混频生成1.420 405 GHz激励信号后,再用CPLD产生脉冲时序控制数字衰减器,将激励信号衰减为脉冲形式,激励氢原子发生Ramsey干涉,导出微波信号并进行相关处理就可以产生Ramsey条纹。已观测到Ramsey干涉条纹,其中心峰宽度为1.2 Hz,相比传统被动型氢原子钟压缩了60%。