CN117938149B - 一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，通过设置比例积分微分放大器的预设参考电压使得激光器的锁定频率产生一个偏置频移，再通过修正频移系数对预设参考电压进行优化，得到最优参考电压，对原子钟共振谱线的非峰值点进行锁定，使得激光器输出的光信号的功率变化导致的偏置频移的变化量能够补偿激光器输出的光信号的功率变化引起的激光器的锁定频率的变化量，从而减小激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数；对本发明的方法操作简单且具有普适性。
Description
技术领域
本发明属于原子钟技术领域，具体涉及一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，适用于补偿不同的环境参量变化时产生的频移。
背景技术
频率中长期稳定度是原子钟的核心指标之一，通常被环境效应引起的频移所限制，比如探寻信号功率，温度，磁场以及气压等等，因此，减小环境参量的频移系数有利于原子钟提高中长期稳定度性能。
现有的原子钟频移抑制方法包括尽量减小引起原子钟频移的环境变化量（比如增加系统温控稳定性、主动稳定光功率、以及增加磁场屏蔽等），减小频移系数（比如针对铷原子钟采用混合缓冲气体方案）和通过原子钟共振信号的非对称性产生的额外频移来补偿环境效应导致的频移（比如利用双色共振光不同偏振极化等）。但是，上述三种现有的抑制环境参量产生的频移的方法并不能普遍使用到其他的原子钟技术或者是其他的物理效应。
现有技术对于同一环境参量变化导致的频移量抑制在不同的原子钟平台上所使用的补偿技术手段不一样；在同一原子钟平台上，对于不同的环境参量的补偿技术手段也不一样，不具备普适性。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术存在的上述问题，提供一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法。
本发明的上述目的通过以下技术手段来实现：
一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，包括以下步骤：
步骤1、测量激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数α；
步骤2、设定激光器输出的光信号的功率为A i，获得激光器输出的光信号的功率为A i时锁相放大器产生的误差信号的误差信号斜率k i；
步骤3、改变激光器输出的光信号的功率A i并重复步骤2，直至获得多组激光器输出的光信号的功率和对应的误差信号斜率(A i，k i)，i为功率序号，再通过拟合得到误差信号斜率k i与激光器输出的光信号的功率A i的关系系数β；
步骤4、通过以下公式计算比例积分微分放大器的预设参考电压V offset：，
式中，n为指数参数，A 0 为实际工作时设定的激光器输出的光信号的功率的大小。
一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，还包括以下步骤：
步骤5、将比例积分微分放大器的参考电压设置为预设参考电压V offset，测试激光器输出的光信号的功率变化引起的修正频移系数α′，修正频移系数α′基于以下公式计算：，式中，/>为设置预设参考电压V offset后，激光器输出的光信号的功率的波动范围内激光器的锁定频率的最大变化量，/>为功率变化量；
步骤6、对预设参考电压V offset进行优化，在设定波动范围内改变比例积分微分放大器的参考电压，直至测到最小的激光器输出的光信号的功率变化引起的修正频移系数α′，最小的修正频移系数α′对应的比例积分微分放大器的参考电压为最优参考电压，激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数的抑制结束。
如上所述频移系数α基于以下步骤测量：通过比例积分微分放大器的电压设置点将比例积分微分放大器的参考电压设置为0伏，并将激光器的频率锁定，改变激光器输出的光信号的功率A并测量激光器的锁定频率f，获取多组激光器输出的光信号的功率以及对应的激光器的锁定频率，再通过一次函数公式f=αA线性拟合得到激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数α。
如上所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、通过锁相放大器产生的交流正弦电压信号对激光器进行频率调制，激光器输出的光信号输入到原子气室，原子气室输出荧光信号进入光电倍增管，光电倍增管输出带有频率调制信息的交流电压信号，交流电压信号进入锁相放大器，锁相放大器对输入的带有调制信息的交流电压信号进行同源解调，得到误差信号，将误差信号输入到示波器中得到误差信号曲线；
步骤2.2、利用原子信号定标获得的误差信号曲线的时间与频率的关系，将误差信号曲线的电压V-时间t关系转换为电压V-频率f关系，再对转换后的直流误差信号曲线的线性区域通过一次函数公式V=k i f+b做线性拟合获得误差信号斜率k i，b为对误差信号曲线的线性区域拟合出的直线与纵轴电压V的交点。
如上所述步骤3中通过以下公式拟合得到误差信号斜率k i与激光器输出的光信号的功率A i的关系系数β：。
如上所述步骤6中设定波动范围为±2V offset。
本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：
本发明的方法通过设置比例积分微分放大器的参考电压使得激光器的锁定频率产生一个偏置频移，从而对原子钟共振谱线的非峰值点（即比例积分微分放大器的参考电压为非0V）进行锁定，使得激光器输出的光信号的功率变化导致的偏置频移的变化量能够补偿激光器输出的光信号的功率变化引起的激光器的锁定频率的变化量，从而减小激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数；本发明的方法操作简单且具有普适性。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明的原理图（其中，f 0—实际工作时设定的激光器输出的光信号的功率时的锁定输出频率，f—激光器的锁定频率，V—误差信号的电压幅值，S1—激光器输出的光信号的功率为A 1时的误差信号曲线的线性区域，S2—激光器输出的光信号的功率为A 2时的误差信号曲线的线性区域，ε1是S1与横轴的夹角，ε2是S2与横轴的夹角）；
图3为本发明的实施例中激光器的频率锁定的原理框图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，并非是对本发明的限制。
实施例
一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，包括以下步骤：
步骤1、通过比例积分微分放大器的电压设置点将比例积分微分放大器的参考电压设置为0伏（比如型号为SIM960的比例积分微分放大器，通过前面板的select按键，将指示灯调整到setpoint，再通过调节上下按键，设置比例积分微分放大器SIM960的参考电压为0V），并将激光器的频率锁定，改变激光器输出的光信号的功率A并测量激光器的锁定频率f，获取五组激光器输出的光信号的功率以及对应的激光器的锁定频率，再通过一次函数公式f=αA线性拟合得到激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数α。
本实施例中的环境参量为激光器输出的光信号的功率；
如图3所示，激光器的频率锁定过程具体为：函数发生器输出的参考频率信号输入到锁相放大器中（即将函数发生器输出的参考频率信号作为锁相放大器输出的调制信号的频率参考），锁相放大器输出交流正弦电压信号（即调制信号）对激光器输出的光信号进行频率调制，激光器输出光信号进入原子气室，原子气室输出荧光信号进入光电倍增管，光电倍增管将输入的荧光信号转变为带有调制信息的交流电压信号，交流电压信号分别进入示波器和锁相放大器，示波器显示交流电压信号曲线，锁相放大器对输入的带有调制信息的交流电压信号进行同源解调，得到直流电压信号即误差信号，误差信号分别进入示波器和比例积分微分放大器，示波器显示误差信号曲线，比例积分微分放大器根据误差信号输出直流反馈电压信号进入激光器，当示波器上显示的误差信号幅值为0时，频率锁定完成，此时激光器的频率即为锁定频率。
步骤2、设定激光器输出的光信号的功率为A i，获得激光器输出的光信号的功率为A i时锁相放大器产生的误差信号的误差信号斜率k i，具体包括以下步骤：
步骤2.1、通过锁相放大器产生的交流正弦电压信号对激光器进行频率调制，激光器输出的光信号输入到原子气室，原子气室输出荧光信号进入光电倍增管，光电倍增管输出带有频率调制信息的交流电压信号，交流电压信号进入锁相放大器，锁相放大器对输入的带有调制信息的交流电压信号进行同源解调，得到直流电压信号即误差信号，将误差信号输入到示波器中得到误差信号曲线，误差信号曲线的横轴为时间，纵轴为电压。
步骤2.2、利用原子信号定标获得的误差信号曲线的时间与频率的关系，将误差信号曲线的电压V（纵轴）-时间t（横轴）关系转换为电压V（纵轴）-频率f（横轴）关系，再对转换后的误差信号曲线的线性区域通过一次函数公式V=k i f+b做线性拟合获得误差信号斜率k i，b为对误差信号曲线的线性区域拟合出的直线与纵轴电压V的交点。
步骤3、改变激光器输出的光信号的功率A i并重复步骤2，直至获得五组激光器输出的光信号的功率和对应的误差信号斜率(A i，k i)，i为功率序号，i=1~5，再通过以下公式拟合得到误差信号斜率k i与激光器输出的光信号的功率A i的关系系数β：
公式（1）
式中，n为指数参数，本实施例中，n取2。
步骤4、根据步骤1测定的频移系数α和步骤3拟合得到的误差信号斜率k i与激光器输出的光信号的功率A i的关系系数β通过以下公式计算比例积分微分放大器的预设参考电压V offset：
公式（2）
式中，A 0 为实际工作时设定的激光器输出的光信号的功率的大小；
预设参考电压V offset的计算公式通过以下过程推导得到：
如图2所示，假设激光器输出的光信号的功率由A 1变化到了A 2，即激光器输出的光信号的功率变化量δA=A 2-A 1，由于激光器输出的光信号的功率变化会使得激光器的锁定频率产生变化，激光器的锁定频率由f 1变到f 2，即：
公式（3）
式中，f 1为激光器输出的光信号的功率为A 1时激光器的锁定频率，f 2为激光器输出的光信号的功率为A 2时激光器的锁定频率。
为了补偿激光器输出的光信号的功率由A 1变化到了A 2产生的频移，设置预设参考电压V offset，预设参考电压V offset使激光器的锁定频率产生的偏置频移/>为：
公式（4）
式中，误差信号斜率k i默认小于0，为当激光器输出的光信号的功率为Ai时激光器的锁定频率（比例积分微分放大器的参考电压为0V时），f offset为当激光器输出的光信号的功率为Ai时设置预设参考电压V offset后激光器的锁定频率，/>为Si与横轴（频率f）的夹角，Si为激光器输出的光信号的功率为Ai时的误差信号曲线（电压V（纵轴）-频率f（横轴））的线性区域。
当激光器输出的光信号的功率变化时，偏置频移也随之变化，使得激光器输出的光信号的功率变化引起的激光器的锁定频率的变化量与激光器输出的光信号的功率变化时设置预设参考电压V offset引起的激光器的锁定频率的偏置频移/>的变化量等大反向，就可以达到补偿的目的。
当激光器输出的光信号的功率变化时，参考电压引起的偏置频移的变化量Δf e为：
公式（5）
引入的偏置频移的变化量能补偿激光器输出的光信号的功率变化引起的锁定频率的变化量，即：
公式（6）
将公式（1）、公式（3）、以及公式（5）代入公式（6）中，得到：
公式（7）
公式（7）进一步化简得到：
公式（8）
通过公式（8）求得预设参考电压V offset的表达式为：
公式（9）
激光器输出的光信号的功率的波动范围远小于实际工作时设定的激光器输出的光信号的功率的大小A 0 ，即/><< A 0 时，A 2 ≈ A 0 ，A 1 ≈ A 0 ，公式（9）最终化简得到预设参考电压V offset的计算公式为：
公式（10）
步骤5、将比例积分微分放大器的参考电压设置为步骤4计算得到的预设参考电压V offset，测试此时的激光器输出的光信号的功率变化引起的修正频移系数α′；
其中，采用偏置锁定（即设置比例积分微分放大器的参考电压为预设参考电压V offset）后，此时激光器输出的光信号的功率与对应激光器输出的光信号的功率引起的频移的关系可能不再线性，为了统一评价体系，仍用频移系数表征，但是将频移系数α变为修正频移系数α′，修正频移系数α′基于以下公式计算：
公式（11）
其中，为设置参考电压V offset后，激光器输出的光信号的功率的波动范围内激光器的锁定频率的最大变化量。
步骤6、对预设参考电压V offset进行优化，即在±2V offset内改变比例积分微分放大器的参考电压，直至测到最小的激光器输出的光信号的功率变化引起的修正频移系数α′，最小的修正频移系数α′对应的比例积分微分放大器的参考电压即为最优参考电压，激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数变化的抑制结束。
需要指出的是，本发明中所描述的实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的实施例作各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (4)
1.一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、测量激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数α；
步骤2、设定激光器输出的光信号的功率为A i，获得激光器输出的光信号的功率为A i时锁相放大器产生的误差信号的误差信号斜率k i；
步骤3、改变激光器输出的光信号的功率A i并重复步骤2，直至获得多组激光器输出的光信号的功率和对应的误差信号斜率(A i，k i)，i为功率序号，再通过拟合得到误差信号斜率k i与激光器输出的光信号的功率A i的关系系数β；
步骤4、通过以下公式计算比例积分微分放大器的预设参考电压V offset：，
式中，n为指数参数，A 0 为实际工作时设定的激光器输出的光信号的功率的大小，
步骤5、将比例积分微分放大器的参考电压设置为预设参考电压V offset，测试激光器输出的光信号的功率变化引起的修正频移系数，修正频移系数/>基于以下公式计算：，式中，/>为设置预设参考电压V offset后，激光器输出的光信号的功率的波动范围内激光器的锁定频率的最大变化量，/>为功率变化量；
步骤6、对预设参考电压V offset进行优化，在设定波动范围内改变比例积分微分放大器的参考电压，直至测到最小的激光器输出的光信号的功率变化引起的修正频移系数，最小的修正频移系数/>对应的比例积分微分放大器的参考电压为最优参考电压，激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数的抑制结束，
所述频移系数α基于以下步骤测量：通过比例积分微分放大器的电压设置点将比例积分微分放大器的参考电压设置为0伏，并将激光器的频率锁定，改变激光器输出的光信号的功率A并测量激光器的锁定频率f，获取多组激光器输出的光信号的功率以及对应的激光器的锁定频率，再通过一次函数公式f=αA线性拟合得到激光器输出的光信号的功率变化引起的频移系数α。
2.根据权利要求1所述一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，其特征在于，所述步骤2具体包括以下步骤：
步骤2.1、通过锁相放大器产生的交流正弦电压信号对激光器进行频率调制，激光器输出的光信号输入到原子气室，原子气室输出荧光信号进入光电倍增管，光电倍增管输出带有频率调制信息的交流电压信号，交流电压信号进入锁相放大器，锁相放大器对输入的带有调制信息的交流电压信号进行同源解调，得到误差信号，将误差信号输入到示波器中得到误差信号曲线；
步骤2.2、利用原子信号定标获得的误差信号曲线的时间与频率的关系，将误差信号曲线的电压V-时间t关系转换为电压V-频率f关系，再对转换后的直流误差信号曲线的线性区域通过一次函数公式V=k i f+b做线性拟合获得误差信号斜率k i，b为对误差信号曲线的线性区域拟合出的直线与纵轴电压V的交点。
3.根据权利要求2所述一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，其特征在于，所述步骤3中通过以下公式拟合得到误差信号斜率k i与激光器输出的光信号的功率A i的关系系数β：。
4.根据权利要求1所述一种补偿原子钟中环境参量变化引起的频移的方法，其特征在于，所述步骤6中设定波动范围为±2V offset。
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- 2024-03-20 CN CN202410321795.XA patent/CN117938149B/zh active Active
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