被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法技術

本發明專利技術公開了一種被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法。它是對在原有的同步鑒相所需的調制信號、同步鑒相參考信號的同時，增添一路頻率是調制信號４倍、相位可調、占空比為１∶１的方波采樣時序信號；該采樣時序對經量子鑒頻、光檢放大、方波整形后產生的交流信號進行鎖定信息采集，用以判斷此時刻原子頻標鎖定情況；其方法是：４倍頻調制信號的采樣時序的連續４個上升沿作為觸發脈沖，分別對量子鑒頻后的信號進行電平采樣，并分別記錄為Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４，依據所記錄的四種采樣電平高低不同判斷原子頻標是否處于鎖定狀態，當電平關系式為：Ｄ１＝Ｄ３并且Ｄ２＝Ｄ４時，表明原子頻標是鎖定狀態。利用本發明專利技術方法可以實現對被動型銣原子頻標系統工作狀態的檢測，對一臺成型的原子頻標是否正常工作以及故障點能夠一目了然，能夠簡易、方便地對故障模塊進行更換。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于被動型銣原子頻標領域技術，具體涉及一種被動型銣原子頻標正常工作狀態判斷與故障診斷的方法。
技術介紹
一臺被動型銣原子頻標由物理系統及電子線路兩大部分組成。物理系統是被動型銣原子頻標的核心部件，大致可分為光抽運譜燈和共振探測兩部分；包括光譜燈、集成濾光共振泡、微波腔、光電探測器、C場、磁屏等。它提供一個頻率穩定、線寬較窄的原子共振吸收線，原子頻標正是通過將壓控晶體振蕩器的輸出頻率鎖定在原子共振吸收峰上而獲得高穩頻率信號輸出。電子線路的主要作用是產生源于石英晶體振蕩器的微波探詢信號，并通過伺服電路將本振的輸出頻率鎖定在銣原子的基態超精細0-0躍遷頻率上。同時，為了保證物理系統的正常工作，電子線路還包含控溫、恒流源等輔助電路。為完成整個被動型銣原子頻標光抽運及微波共振探測過程，最終實現銣原子基態超精細0-0躍遷頻率的鎖定，需要保證作為整個原子頻標系統光源的光譜燈、進行濾光及原子共振的集成濾光共振泡、使原子基態超精細結構發生塞曼分裂，并為原子躍遷提供量子化軸的C場、以及實現共振探詢和同步檢測的微波探詢信號的正常工作。隨著實際應用對被動型銣原子頻標小型化以及模塊簡易化的需求，人們希望對一臺成型的原子頻標是否正常工作以及故障點能夠一目了然，能夠簡易、方便地對故障模塊進行更換。這就需要在原子頻標產品中給出正常鎖定與故障指示功能，而國內現有大多數的原子鐘產品(包括商業用及實驗室研究用)都未能很好的給出相應的指示功能。
技術實現思路
基于上述現狀，本專利技術的目的在于提供一種在原有的被動型銣原子頻標系統中實現；從整機環路中的同步鑒相信號及量子鑒頻信號出發給出相應的鎖定指示功能。實現本專利技術的技術方案為，它包括被動型銣原子頻標系統，即由物理系統及電子線路兩大部分組成；其中物理系統包括光譜燈、集成濾光共振泡、微波腔、C場、磁屏、光電池、耦合環；電子線路包括原子頻標壓控晶體振蕩器VCXD，隔離放大電路，綜合調制電路，倍頻電路，微波倍混頻器；微波倍混頻器輸出的微波探尋信號到物理系統中，物理系統產生的本振的輸出信號經光檢放大和方波整形通過伺服電路將本振的輸出頻率鎖定在銣原子的基態超精細0-0躍遷頻率上，在原有的同步鑒相所需的調制信號、同步鑒相參考信號的同時，增添一路頻率是調制信號4倍、相位可調、占空比為1∶1的方波采樣時序信號；該采樣時序對經量子鑒頻、光檢放大、方波整形后產生的交流信號進行鎖定信息采集，用以判斷此時刻原子頻標鎖定情況；其方法是4倍頻調制信號的采樣時序的連續4個上升沿作為觸發脈沖，分別對量子鑒頻后的信號進行電平采樣，并分別記錄為D1、D2、D3、D4，依據所記錄的四種采樣電平高低不同判斷原子頻標是否處于鎖定狀態，當電平關系式為D1＝D3并且D2＝D4時，表明原子頻標是鎖定狀態。在被動型銣原子頻標系統中的光譜燈處設置光譜燈工作溫度檢測裝置以檢測光譜燈工作溫度狀況；在集成濾光共振泡處設置集成濾光共振泡的腔體工作溫度檢測裝置以檢測集成濾光共振泡的腔體工作溫度狀況；在C場的恒流源處設置C場的電流檢測裝置以檢測C場的電流狀況。利用本專利技術方法可以實現對被動型銣原子頻標系統工作狀態的檢測，對一臺成型的原子頻標是否正常工作以及故障點能夠一目了然，能夠簡易、方便地對故障模塊進行更換。附圖說明圖1被動型銣原子頻標原理及鎖定故障監測框圖。圖2量子鑒頻原理圖。圖3鎖定指示判斷原理圖。圖4量子鑒頻信號示波器觀測圖。圖5鎖定指示判斷硬件原理框圖。圖6鎖定指示判斷程序流程圖。圖7故障監測原理框圖。圖8故障診斷程序流程圖。具體實施例方式如圖1所示，被動型銣原子頻標系統包括原子頻標壓控晶體振蕩器VCXD，隔離放大電路，綜合調制電路，倍頻電路，微波倍混頻器；微波倍混頻器輸出的微波探尋信號到物理系統中，物理系統包括光譜燈1、集成濾光共振泡2、微波腔3、C場4、磁屏5、光電池6、耦合環7，恒流源，溫度控制器，和恒溫器。微波倍混頻器輸出的微波探尋信號到物理系統中，物理系統實現量子系統鑒頻的輸出信號經光檢放大和方波整形通過伺服電路將本振的輸出頻率鎖定在銣原子的基態超精細0-0躍遷頻率上量子。在整個被動型銣原子頻標的工作狀態由4個監測點來完成。其中監測點1負責監測作為整個原子頻標物理系統光源的光譜燈工作溫度情況；監測點2負責監測內置進行濾光及原子共振的集成濾光共振泡的腔體工作溫度情況；監測點3負責監測使原子基態超精細結構發生塞曼分裂，并為原子躍遷提供量子化軸的C場電流情況；監測點4通過綜合器產生的同步采樣時序對來自量子系統鑒頻處理后經光檢放大、方波整形得到的信號進行采樣，通過采樣結果判斷原子頻標是否進入正常鎖定工作狀態。如圖2所示，圖中對表征信號幅度I的y軸進行了電反相。經綜合器調制后產生的微波探詢信號f分別處于原子基態超精細0-0躍遷中心頻率的左側、正中、右側時，經量子系統的鑒頻處理，分別得到不同的量子鑒頻信息當微波探測信號的中心頻率高于原子躍遷頻率時(f＞fo)，光電池的輸出信號和微波的調制信號同頻反相；當微波探測信號的中心頻率低于原子躍遷頻率時(f＜fo)，光電池輸出信號和微波調制信號同頻同相；當微波探測信號的中心頻率等于原子躍遷頻率時(f＝fo)時，光電池的輸出信號頻率是微波調制頻率的2倍。被動型原子頻標伺服系統正是利用這一特性，采用同步鑒相方案實現整機的閉環鎖定。實現被動型原子頻標的鎖定指示，在保留原有的同步鑒相所需的調制信號、同步鑒相參考信號的同時，增添一路頻率是調制信號4倍、相位可調、占空比為1∶1的方波采樣時序信號。該采樣時序對經量子鑒頻、光檢放大、方波整形后產生的交流信號進行鎖定信息采集，用以判斷此時刻原子頻標鎖定情況，其判斷原理如圖3所示。在方波整形環節，由于鎖定狀態下信號波形的峰峰值幅度通常大致為幾百個毫伏左右，方波整形時，觸發電平的選擇應根據實際系統的鎖定信號波形幅值決定。由于整機噪聲的存在，從示波器上觀察到的鎖定信號無論是平坦區還是尖峰區都會存在毛刺，產生抖動，如圖4所示。從而導致方波整形后得到的信號沿發生抖動(在圖3中方波整形后的信號沿部分畫得較粗，以示這種信號沿抖動的存在)。在采樣時序對這些信號進行采集時，需要避開沿抖動的環節，解決的方案是用微控制器定時中斷產生同步鑒相參考信號、4倍頻采樣時序信號，利用延時的方式實現4倍頻采樣時序信號相位任意移動。微控制器的采樣輸入端接來自于量子系統鑒頻處理后的量子鑒頻信號，同時微控制器的外部時鐘輸入端接原子頻標壓控晶體振蕩器(VCXO)經隔放后送入的信號，硬件連接如圖5所示。具體的鎖定指示判斷根據圖3所示分為四種情況1、微波探詢信號的頻率大于(小于)原子躍遷中心頻率時，即f＞fo(f＜fo)，經量子鑒頻、光檢放大、方波整后得到的信號頻率均與原來調制信號的頻率一致，只是在相位上有所差異，此時原子頻標處于未鎖定狀態；2、微波探詢信號的頻率等于原子躍遷中心頻率時，即f＝fo，方波整形后得到的信號頻率是原調制信號的2倍，此時原子頻標處于鎖定狀態；3、微波探詢信號的頻率大大遠離原子躍遷中心頻率時，即f未進入有效的量子鑒頻吸收帶寬之內，經處理后得到的信號將是一個持續的電平，此時原子頻標處于脫鎖狀態；4、另一種特殊的情況就是，在原子頻標整機剛上電時(包含整機完全冷態上電與整機熱態重新啟動上電本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種被動型銣原子頻標鎖定指示與故障診斷方法，它包括被動型銣原子頻標系統，動被型銣原子頻標系統由物理系統及電子線路兩大部分組成；其中物理系統包括光譜燈、集成濾光共振泡、微波腔、Ｃ場、磁屏；電子線路包括原子頻標壓控晶體振蕩器ＶＣＸＤ，隔離放大電路，綜合調制電路，倍頻電路，微波倍混頻器；微波倍混頻器輸出的微波探尋信號到物理系統中，物理系統實現量子系統鑒頻的輸出信號經光檢放大和方波整形通過伺服電路將本振的輸出頻率鎖定在銣原子的基態超精細０－０躍遷頻率上，其特征在于在原有的同步鑒相所需的調制信號、同步鑒相參考信號的同時，增添一路頻率是調制信號４倍、相位可調、占空比為１∶１的方波采樣時序信號；該采樣時序對經量子鑒頻、光檢放大、方波整形后產生的交流信號進行鎖定信息采集，用以判斷此時刻原子頻標鎖定情況；其方法是：４倍頻調制信號的采樣時序的連續４個上升沿作為觸發脈沖，分別對量子鑒頻后的信號進行電平采樣，并分別記錄為Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４，依據所記錄的四種采樣電平高低不同判斷原子頻標是否處于鎖定狀態，當電平關系式為：Ｄ１＝Ｄ３并且Ｄ２＝Ｄ４時，表明原子頻標是鎖定狀態。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：雷海東，王艷，李超，余鈁，魯道邦，陳智勇，裘曉俊，金鑫，左毅力，陳云起，管妮娜，朱熙文，盛榮武，
申請(專利權)人：江漢大學，
類型：發明
國別省市：83[中國|武漢]