被动型原子钟相位现象探索以及其相位控制的实现

Atomic clock is the highest practical accuracy standard equipment in the world, widely used in time and frequency standards, precise navigation positioning, geodesy, network synchronization and other fields. Frequency stability, an important indicator of atomic clock, has a signification impact on performance and a wide range precision application of atomic clock. At present, passive atomic clock is widely used. The phase relationship is complex in passive atomic clock’s transition mechanism, which makes passive atomic clock has no continuous phase continuity. Therefore, passive atomic clock uses frequency locked mechanism, and the variation law of its frequency stability changes by sampling time is 1/τ½. In recent years, we have made a lot of experiments and found that in the frequency modulation driving process of the physical part in atomic clock, the phenomenon of that the frequency of the drive signal is equal to the atomic energy level transition frequency in a moment will appear over and over, which leads to a high accuracy and the phase correlation of drive signal. By measuring the time interval between the biggest transition probability point and zero frequency modulation drive point. Combined with the frequency curve, frequency difference of VCOCXO output could be obtained. Combined with time interval of landmarks, the amount of phase control could be obtained, which makes passive atomic clock achieve digital phase locked control and significantly improve the indicator of frequency stability by the variation law of 1/τ. This is a very important method for the development of atomic clock and optical frequency.

原子钟是目前世界上实用准确度最高的标准器，广泛用于时频标准、精密导航定位、国防、电子、大地测量、通讯网同步等领域。频率稳定度是其重要指标，用量最大的是被动型原子钟，被动型原子钟采用锁频机制，其频率稳定度随着取样时间的变化是按照1/τ½的规律。这是因为被动型原子钟的能级跃迁机制中相位关系复杂，并不具备持续的相位连续性能，这影响到钟的其它性能以及广泛的精密应用。大量研究发现，在对原子钟物理部分的调频激励过程中激励信号会重复出现瞬间与原子能级跃迁频率拟合的现象，此时原子能级跃迁处于最大概率，能够反映出对应能级跃迁的频相关系及激励信号准确的频偏以及相互间的相位相关性。通过跃迁最大概率点的调制域特性不仅反映了原子钟输出VCOCXO的频偏，还能获得对它在对应时间的相位控制使得被动钟能够实现数字化锁相控制，按照1/τ的规律显著提高其频率稳定度。这对原子钟技术的发展以及进一步光频标的发展都是很重要的途径。

原子钟是目前世界上实用准确度最高的标准器，频率稳定度是其重要指标。在用量最大的被动型原子钟中，铯原子喷泉钟是目前微波量子频标中准确度最高的而作为频率基准使用。其物理部分的输出中除了原理性的准确因素外还有多种误差因素会影响到钟的稳定度指标。按照传统的方法直接把原子钟物理反馈信号用于钟输出源的锁定会把一系列的噪声引入原子钟信号中。我们对于作为标准的物理部分输出的参考信号进行了噪声修正的软件处理方法，使得基准喷泉钟的频率稳定度指标能够提高5到8倍。以铯原子喷泉钟为代表的处理方法有利于改善原子钟信号的相位连续性能，使得其频率稳定度随取样时间的变化斜率在一定程度上有向1/τ的规律偏向的趋势，这对原子钟技术的发展是很重要的途径，对原子钟准确度保证机理的研究深入，也揭示了复杂的频率源系统各个部分合力保证源准确度的同时，由于其中器件、线路、物理结构、处理工艺、调试方法的微小差异，同时也表现出不同频率源在其频率稳定度随着取样时间的特性转折变化区出现相互不可复制的独有特性，即时频指纹现象。时频指纹的应用有利于频率源的区分、定位、管理以及健康状态的标识。通过本项目中相位处理和数字化的结合研究，我们把时频参数测量和处理方法扩展到所有的周期性信号处理和相位控制中，获得了交流电压、信号波形的显示和测量的精度和范围的大幅度提高。实现数字化技术的更高精度、更高频率范围的应用发展。