一种基于小波变换的氢铯联合守时算法研究

氢铯联合守时方法主要是研究两类性能不同的原子钟的有效组合而产生稳定的时间尺度.基于此,研究了一种联合守时算法,取得了初步结果.算法首先通过铯原子钟建立参考时间尺度,用于估计氢原子钟的速率和频率漂移;其次,利用小波多尺度分解的方法降低氢原子钟钟差多种噪声的影响;最后,利用氢原子钟的可预测性能,建立由氢原子钟产生的时间尺度.此算法的优点在于产生的时间尺度充分利用了氢原子钟的短期稳定度、氢原子钟的可预测性能并考虑了测量钟差带来的多种噪声的影响,是一种优化的原子时尺度算法.     

主动型氢原子钟性能监测及评估方法研究

主动型氢原子钟是时间尺度建立和保持的主要频率源,具有短期稳定度高及相位噪声低等特性,目前在国际原子时TAI (International Atomic Time)及各地方时间尺度中的作用日益重要.首先结合主动型氢原子钟内部状态参数,分析状态参数与氢原子钟比对数据的相关性,提出了氢原子钟性能监测方法.其次,针对氢原子钟性能特点,在衡量氢原子钟性能最主要的两方面,即频率稳定度及"可预测性"方面,给出了氢原子钟性能评估方法,并利用该方法对目前国际通用的两种主动型氢原子钟(CH1-75型及MHM-2010型)进行性能评估.原子钟状态参数与比对数据联合分析结果表明,状态参数监测可以有效预报钟性能的变化.原子钟频率稳定度及"可预测性"评估结果表明,中、长期稳定度越高的原子钟"可预测性"也越好. BIPM (Bureau International des Poids et Measures)权重验证结果表明,基于BIPM公布数据以及基于2次模型两种预报方法计算出来的钟"可预测性"均与BIPM公布的权重相吻合,可以作为钟"可预测性"的定量评估方法.     

氢原子钟的频率驾驭算法研究

以氢钟作为主钟系统的频率源,可产生短期稳定度更好的本地时间UTC(k),氢钟通常具有频率漂移效应,这使得氢原子钟的长期稳定度随着时间的推移不断降低,进而影响UTC(k)的稳定度与准确度.为解决这一问题,比较分析了氢钟和铯钟的性能,改进了氢钟参与时间尺度计算的算法,并提出了基于主钟为氢钟的频率驾驭算法.通过搭建试验系统,编制相关的软件,对该算法进行了检验.测试结果表明当氢钟参与原子时计算时,可有效改善参考时间尺度的短期稳定度,同时主钟频率源为氢钟比主钟频率源为铯钟产生的本地时间UTC(k)具有更好的短期频率稳定度.     

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     

主动型氢原子钟的研究进展

基于氢原子微波激射器(氢脉泽)的主动型氢原子钟(氢钟)拥有极好的中短期频率稳定度,而原子储存泡是氢脉泽的关键技术。位于微波谐振腔内的原子储存泡中的氢原子系综与电磁场相互作用。简述了氢原子系综与电磁场相互作用的动力学过程、氢脉泽和主动型氢原子钟的相位噪声,还介绍了原子储存、原子与原子的自旋交换碰撞、原子与泡壁的碰撞和磁场不均匀弛豫等主要弛豫过程。并概述了在腔频的自动调谐方法、双选态系统方面的发展和电离源、真空系统等技术方面的改进。最后,讨论了氢钟的发展前景。     

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.     

原子时尺度分析研究

守时型原子钟主要包括氢原子钟和铯原子钟,为进一步探究不同类型守时原子钟计算时间尺度相关性能,本文开展全氢钟及氢铯联合时间尺度研究。首先依据国际权度局(Bureau International des Poids et Mesures, BIPM)发布的d公报将氢原子钟进行分类,针对分类结果分别运用原子时尺度理论方法计算全氢钟时间尺度,并给出分析结果。随后计算全铯钟时间尺度,并分析探究两种不同的氢铯联合钟组时间尺度。结果表明,基于频率漂移量较小的氢钟组形成的时间尺度波动范围小,且稳定度优于频率漂移量较大的氢钟组形成的时间尺度。氢铯联合形成的时间尺度稳定度优于全铯钟时间尺度,不同的氢铯联合钟组计算得到的时间尺度结果相近。     

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。     

氢原子钟蓝宝石谐振腔的设计和实验表现

为了设计主动型氢原子钟蓝宝石谐振腔的结构尺寸,对根据TE011模式下蓝宝石谐振腔的麦克斯韦尔方程组推出的超越方程进行了求解,利用电磁场有限元分析软件对蓝宝石腔进行了仿真分析。通过计算S参数,确认了所设计的氢原子钟蓝宝石谐振腔实现氢脉泽自激振荡的现实性。利用SOHM-4型氢钟机架作为实验床,在离子泵电流1.1 mA时,得到了强度为-102.93 dbm的脉泽振荡信号。此信号强度与标准的主动型氢原子钟在相同的离子泵电流下的信号强度相仿。     

星载氢原子钟用多段线圈式C场的仿真及应用

星载氢原子钟具有频率稳定度高、频率漂移率低的优点,在卫星导航定位和频率计量中得到了广泛应用。星载氢原子钟的腔泡系统用于实现氢原子的量子跃迁及其信号采集,原子跃迁信号幅度直接决定了系统的信噪比,进而影响整机性能指标,所以腔泡系统是星载氢原子钟的核心组件。目前,星载氢原子钟腔泡系统主要采用直螺线管来产生原子跃迁所需的C场。由于星载氢原子钟物理部分的结构限制,直螺线管的磁场均匀度有进一步提高的空间。探讨使用多段线圈代替直螺线管用于产生C场的可行性。首先对多段线圈产生的磁场进行理论分析计算,同时使用ANSYS电磁场仿真软件对多段线圈的各项参数进行仿真和优化,包括各段长度、段数、间距以及匝数、内径和总长度等。然后优选磁场均匀度较好的线圈配置参数,可将C场的非均匀度由直螺线管约10%降低到多段线圈约1%。根据仿真优化结果建立了试验九段线圈,对比测试了原子跃迁信号增益,同时结合电路部分进行闭环测试,对频率稳定度指标进行了对比。实验结果表明,原子跃迁信号可有效提升,阿伦方差在中短稳(1～1 000 s)表现更好。此项工作为星载氢原子钟整机性能指标的进一步提升打下了基础。     

上海天文台氢原子钟的研制进展

氢原子钟的早期发展 上海天文台1970年开始氢原子钟的研制,1972年研制成功。一共研制了6台这种实验室型的氢原子钟。这些标准主要用于VLBI国际联测和频率测最的参考标准。它们的设计特征和性能指标在文章[1-3]中已经描述过了。图1是两台这种标准的照片。     

原子钟噪声误差估计方法研究

给出了原子钟不同噪声的模拟方法.研究了利用马氏过程理论模拟原子钟的频率闪变噪声,利用维纳过程理论估计频率白噪声的最大区间误差的方法.结合国家授时中心时频基准实验室9台铯原子钟的运行情况,估计了幂律谱模型的噪声系数,并根据噪声模型进行了仿真,最后得到了这9台铯原子钟的频率白噪声产生的最大区间误差估计.     

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%。     

两台氢原子钟工作状况良好

我台建立的原子时间基准中目前所用的频率基准是两台氢原子钟。作为频率基准,必须具备足够高的独立定标的准确度和好的长期稳定度。氢原子钟的准确度决定于引起频率偏移的各项修正的不确定度。通过分项测试表明,这两台氢原子钟C场修正的误差小于     

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.     

氢钟在陕西天文台的运行及守时工作中的作用

我国研制的氢原子频标在陕西天台运行已二十多年了,对我们的时间工作起到了重要的作用,１９７９年至１９８０年间,陕西天台没有铯原子钟,氢频标曾作为基准钟,为我台原子时尺度的建立立下首功,１９８３年后,长期性能得到改进,１９９３年,在我国氢原子钟同行中,率先在国际时间局取到权,随着科学技术的发展,对时间工作精神的要求日益提高,陕西天台仍然需要世界一流水平的氢原子频标。     

束光学组件参数变化对氢束流影响的理论分析

通过仿真、计算及优化对比等方式,分析了束光学组件中关键参数变化对氢原子束流产生的影响,主要涉及氢原子钟电离泡温度、准直器束流散射角、选态器长度、选态器内孔尺寸、磁钢充磁强度、氢原子自由出射距离及泡口尺寸等七个参数。理论分析结果表明:在束光学组件设计中,应降低电离泡的温度波动,有效控制散射角及截获角,精密检测选态器尺寸及充磁强度,优化选择氢原子自由出射距离与泡口尺寸等。研究结果对氢原子钟束光学组件工程设计及实际应用具有十分重要的指导意义。     

SOHM型氢钟在国家授时中心的运行情况分析

上海天文台研制的型号为SOHM-3和SOHM-4的3台氢原子钟在中国科学院国家授时中心(NTSC)已经运行了一年多时间。收集了每个氢原子钟与NTSC主钟的时间比对数据。数据的分析结果给出了这几台氢钟在不同采样间隔上的频率稳定度,也显示出1台氢钟明显的相位跳变,讨论了这种相位跳变的原因。比较了这3台氢钟和从美国进口的Symmetricom公司制造的氢钟的频率稳定度的温度变化效应,指出了上海天文台研究制的氢钟存在的主要问题。     

基于机器学习方法的氢原子钟故障诊断研究

氢原子钟作为一种精密的授时守时仪器,在科学研究与工程应用中发挥着重要作用,目前,我国原子钟还存在设备故障、可靠性差等问题。为了简化技术人员排查流程,提升维修效率,提出了一种采用机器学习算法,将氢钟历史运行数据作为训练样本,结合DBSCAN及人工神经网络算法得到氢钟诊断模型,从而大幅简化故障排查过程的方法。实验中将训练好的模型部署到嵌入式设备上,并把实时预判结果给技术人员作为参考,证实了这种方法的可行性及有效性。     

氢钟在陕西天文台的运行及在守时工作中的作用

我国研制的氢原子频标在陕西天文台运行已二十多年了 ,对我们的时间工作起到了重要的作用。 1 979年至 1 980年间 ,陕西天文台没有铯原子钟 ,氢频标曾作为基准钟 ,为我台原子时尺度的建立立下首功。 1 983年后 ,长期性能得到改进。1 993年 ,在我国氢原子钟同行中 ,率先在国际时间局取到权。随着科学技术的发展 ,对时间工作精度的要求日益提高 ,陕西天文台仍然需要世界一流水平的氢原子频标。