一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型涉及一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，包括光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、濾光模塊、溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、共振吸收模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊；所述光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器連接有光譜燈源，所述光譜燈源的光線穿過透鏡后經(jīng)過濾光模塊后到達(dá)共振吸收模塊；所述共振吸收模塊連接有溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器和磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器，所述共振吸收模塊還連接有光強(qiáng)檢測(cè)模塊；本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理，通過以一種外部激勵(lì)方式引發(fā)原子鐘內(nèi)部相應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化，在極短時(shí)間內(nèi)評(píng)估仿真結(jié)果，為本領(lǐng)域開展相應(yīng)的研發(fā)工作提供參考；通過本專利策略的仿真實(shí)施，更大的意義在于提出了一種雙參數(shù)同時(shí)改變改善原子鐘整機(jī)系統(tǒng)性能的方法，并驗(yàn)證了其可行性。
【專利說明】
一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本實(shí)用新型涉及仿真系統(tǒng)領(lǐng)域，尤其涉及一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系 統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 光抽運(yùn)銣原子頻標(biāo)也是傳統(tǒng)的實(shí)用型原子頻標(biāo)，盡管其某些性能指標(biāo)比不上銫和 氫原子頻標(biāo)，但是它是應(yīng)用范圍最廣、價(jià)格最低廉的一種原子頻標(biāo)。其準(zhǔn)確度為10-11，穩(wěn)定 度為10-12量級(jí)。小型化是光抽運(yùn)銣原子頻標(biāo)的發(fā)展趨勢(shì)，目前國(guó)內(nèi)除我所以外，有北京大 學(xué)、航天部203所等單位積極開展銣原子頻標(biāo)領(lǐng)域的小型化工作。國(guó)際上銣原子頻標(biāo)的小型 化也有飛速的進(jìn)展，分米量級(jí)的銣原子頻標(biāo)已經(jīng)商品化。
[0003] 目前，就各行各業(yè)的需要，原子頻率在以下方面具有突出的應(yīng)用前景：
[0004] 1.作為時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)用來計(jì)時(shí)授時(shí)。
[0005] 2.作為頻率標(biāo)準(zhǔn)用來計(jì)頻授頻。
[0006] 3.在導(dǎo)航定位衛(wèi)星中是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)工作的基礎(chǔ)。
[0007] 4.在數(shù)字通信中為各個(gè)通信節(jié)點(diǎn)提供統(tǒng)一時(shí)間。
[0008] 5.用于時(shí)間傳遞，如科學(xué)應(yīng)用、天文臺(tái)、大學(xué)和標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)內(nèi)部同步，時(shí)間的 同步。
[0009] 6.在導(dǎo)彈靶場(chǎng)、衛(wèi)星跟蹤站、核爆偵聽站幾乎都使用原子鐘。
[0010] 7在天文學(xué)、地球物理學(xué)、計(jì)量學(xué)及基礎(chǔ)科學(xué)研究方面也要廣泛地使用原子鐘。
[0011] 8.海陸空交通管理。
[0012] 9.減災(zāi)預(yù)報(bào).如氣象、地震、水文、森林火災(zāi)等。
[0013] 10.城市出租車、銀行送鈔車、外交禮儀車的監(jiān)護(hù)。
[0014] 多年來人們一直在原子頻標(biāo)領(lǐng)域中進(jìn)行著不斷地探索與創(chuàng)新，以求取得更大的突 破。對(duì)應(yīng)用面寬廣的被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)，人們更是傾注極大的關(guān)注。
[0015] 早期，為減小微波功率頻移、改善被動(dòng)型銣頻標(biāo)性能，人們提出了用高分子材料涂 層的銣吸收泡代替充緩沖氣體的銣吸收泡的想法。在充緩沖氣體的銣吸收泡中，由于87Rb 原子和緩沖氣體分子頻繁的碰撞使它被囚禁在吸收泡的一個(gè)小區(qū)域內(nèi)。而在整個(gè)吸收泡中 各處的C場(chǎng)值和抽運(yùn)光強(qiáng)不一樣，所以各處的87Rb原子0-0躍迀的中心頻率有所不同，造 成了微波功率頻移的存在，這成為影響被動(dòng)式銣原子頻標(biāo)頻率穩(wěn)定度的一個(gè)重要因素。為 克服這種頻移，1980年A.Ris]ey等人用石蠟作涂層代替緩沖氣體，在動(dòng)態(tài)真空系統(tǒng)上測(cè)量 了銣吸收泡的性能，結(jié)果表明微波功率頻移減小了 100倍，但是Rb原子與石蠟碰撞會(huì)產(chǎn)生壁 移。1982年H，G.Robinson等人用40烷涂層的吸收泡得到了線寬僅為IHz的Rb原子的0-0躍迀 譜線。1985年R.P.Fruehoh等人在理論上分析了銣吸收泡在不同諧振腔中的線寬。1987年C. Rahman等人又得到了線寬為10Hz的Rb原子0-0躍迀譜線。但是一直到現(xiàn)在為止，尚未見到 有關(guān)于用涂層泡制成的被動(dòng)式原子頻標(biāo)長(zhǎng)、短穩(wěn)性能的報(bào)導(dǎo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明涂層本身的放 氣使吸收泡的真空度不斷下降，它既產(chǎn)生碰撞頻移又使得微波功率頻移不斷增加。這個(gè)因 素可能就是為什么到現(xiàn)在為止仍然未見利用涂層泡制成高性能銣原子頻標(biāo)報(bào)導(dǎo)的主要原 因。
[0016] 近年來，我們提出了體系內(nèi)優(yōu)勢(shì)組合的方案，眾所周知，在被動(dòng)型原子頻標(biāo)中，量 子系統(tǒng)提供一個(gè)峰點(diǎn)頻率穩(wěn)定，線寬較窄的原子共振吸收線作為頻率基準(zhǔn)對(duì)石英晶體本振 的輸出信號(hào)進(jìn)行鑒頻，進(jìn)而對(duì)本振進(jìn)行壓控，將其輸出頻率鎖到原子共振吸收線的峰點(diǎn)上。 因此在一臺(tái)被動(dòng)型原子頻標(biāo)體系內(nèi)，量子系統(tǒng)自身本質(zhì)上就是一個(gè)長(zhǎng)穩(wěn)良好的頻率源，而 石英晶體振蕩器則是另一個(gè)被控的頻率源。隨著石英晶振研究的深入發(fā)展，它的短穩(wěn)越來 越好。目前商品晶振的秒級(jí)穩(wěn)定度已達(dá)1 X 10-13/S，而實(shí)驗(yàn)室里晶振的秒級(jí)穩(wěn)定度已達(dá)7 X 10-14/S。因此我們完全有可能在一臺(tái)被動(dòng)型原子頻標(biāo)體系內(nèi)進(jìn)行量子系統(tǒng)與石英晶體本 振的優(yōu)勢(shì)組合。將量子系統(tǒng)良好的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度傳遞給石英晶體本振，而石英 晶體本振自身良好的短期穩(wěn)定度得以保持。從而以一種相對(duì)簡(jiǎn)潔的技術(shù)途徑得到一臺(tái)小體 積、小功耗、小重量的長(zhǎng)短穩(wěn)兼優(yōu)的被動(dòng)型原子頻標(biāo)。此方案設(shè)計(jì)的樣機(jī)已經(jīng)通過了項(xiàng)目測(cè) 試驗(yàn)收，其結(jié)果是令人滿意的。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0017] 本實(shí)用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子 頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，以一種外部激勵(lì)方式引發(fā)原子鐘內(nèi)部相應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化，在極短時(shí)間內(nèi)評(píng) 估仿真結(jié)果，為本領(lǐng)域開展相應(yīng)的研發(fā)工作提供參考。
[0018] 本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：
[0019] -種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，包括光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、濾光模塊、溫度場(chǎng) 激勵(lì)發(fā)生器、磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、共振吸收模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊;所述光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器連接有 光譜燈源，所述光譜燈源的光線穿過透鏡后經(jīng)過濾光模塊后到達(dá)共振吸收模塊;所述共振 吸收模塊連接有溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器和磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器，所述共振吸收模塊還連接有光強(qiáng)檢 測(cè)模塊。
[0020] 進(jìn)一步地，所述光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式脈沖激勵(lì)源，用于激勵(lì)光譜 燈源內(nèi)的光元素起輝發(fā)光，并且可以控制其光強(qiáng)的大小。
[0021] 進(jìn)一步地，所述濾光模塊內(nèi)含有與光譜燈源內(nèi)光元素的同位素物質(zhì)，用于對(duì)光譜 燈源發(fā)出的光進(jìn)行初次濾光作用。
[0022] 進(jìn)一步地，所述溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式溫控源，為共振吸收模塊 中的元素提供溫度場(chǎng)。
[0023] 進(jìn)一步地，所述磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式電流源，電流通過共振吸收 模塊內(nèi)的螺旋管線圈產(chǎn)生可調(diào)式磁場(chǎng)，為共振吸收模塊中的元素進(jìn)行原子分裂提供C場(chǎng)。
[0024] 進(jìn)一步地，所述共振吸收模塊中含有與光譜燈源中光元素相同的元素物質(zhì)，與透 過濾光模塊中的光進(jìn)行共振作用產(chǎn)生能級(jí)躍迀達(dá)到吸收作用。
[0025] 進(jìn)一步地，所述光強(qiáng)檢測(cè)模塊對(duì)光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、濾光模塊、溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、 磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器和共振吸收模塊中的從左至右光強(qiáng)產(chǎn)生的透光進(jìn)行多次光電檢測(cè)。
[0026]實(shí)施原理：
[0027]第一步:分別改變圖1中各場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)大小，通過光強(qiáng)檢測(cè)模塊同步地記錄光電檢測(cè) 數(shù)據(jù)。得到圖2、3、4的檢測(cè)結(jié)果(注意：圖2、3、4中橫坐標(biāo)是按照傳統(tǒng)原子鐘改變射頻場(chǎng)大 小，而相應(yīng)改變磁場(chǎng)、光場(chǎng)、溫度場(chǎng)激勵(lì)的效果在各圖體現(xiàn)在不同顏色的曲線上）。
[0028] 第二步:找出有足夠敏感性的場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)。具體如下:在三個(gè)圖中相應(yīng)的曲線斜率較 大處我們可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圖2的磁場(chǎng)激勵(lì)曲線斜率較大處的縱坐標(biāo)值集中在-1.5和+1.5處； 對(duì)于圖3的光場(chǎng)激勵(lì)曲線斜率較大處的縱坐標(biāo)值集中在(-1.75至-0.75)和(0.75至1.75)區(qū) 域;對(duì)于圖4的溫度場(chǎng)激勵(lì)曲線斜率較大處的縱坐標(biāo)值集中在(-1.6至-0.6)和(0.75至1.6) 區(qū)域。以上說明圖1中的系統(tǒng)光檢測(cè)輸出對(duì)于溫度場(chǎng)和光強(qiáng)激勵(lì)變化敏感、而對(duì)磁強(qiáng)激勵(lì)變 化不敏感。于是我們確定光強(qiáng)激勵(lì)及溫度場(chǎng)激勵(lì)為仿真對(duì)象，定義RB1605為光強(qiáng)激勵(lì)產(chǎn)生 的光電檢測(cè)仿真結(jié)果、定義RB1609為溫度強(qiáng)激勵(lì)產(chǎn)生的光電檢測(cè)仿真結(jié)果、定義Y為光強(qiáng)激 勵(lì)減去溫度場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生的光電檢測(cè)仿真結(jié)果，即Y=RB1605-RB1609。
[0029] 第三步:確定樣本區(qū)間及激勵(lì)源變化方向。對(duì)于選定的光強(qiáng)激勵(lì)及溫度場(chǎng)激勵(lì)，我 們?cè)谏鲜鰷y(cè)試仿真時(shí)是相應(yīng)的大范圍改變對(duì)應(yīng)各圖中的Z軸激勵(lì)參數(shù)，可以說它反映了可 能出現(xiàn)的各種情況。為此我們按照?qǐng)D5選擇相應(yīng)的樣本區(qū)間：圖5中實(shí)線部分為最大的樣本 空間記為L(zhǎng)5,虛線部分為其余的小樣本區(qū)間示意圖，它的選擇是將L5進(jìn)行壓縮至1/4、1/6、 1/12、1/20,分別記為14丄3、12丄1。在上述區(qū)間中，按照?qǐng)D5選擇光場(chǎng)及溫度場(chǎng)激勵(lì)方向，使 兩者變化方向相反。
[0030] 第四步：建立策略模型，獲得移動(dòng)平均值及漂移閥值。在第二步中我們定義了Y= RB1605-RB1609,在第三步中我們選擇一個(gè)具體的樣本區(qū)間（例如L5)并且使RB1605和 RB1609采取反方向激勵(lì)變化，得到的按秒級(jí)時(shí)間間隔采樣的數(shù)據(jù)曲線如圖6所示：
[0031]在本模型中我們擬對(duì)每一組激勵(lì)采樣最近的20個(gè)點(diǎn)，即圖6中的任意連續(xù)20個(gè)點(diǎn) 表示為L(zhǎng)5YX、L5YX+1、…、L5YX+19、L5YX+20(x表示第x個(gè)采樣點(diǎn)），并將獲得的20個(gè)數(shù)據(jù)按以 下方法得到移動(dòng)平均值記為MA(X20):
[0032] 根據(jù)圖6的采樣曲線，用數(shù)學(xué)模型表示：
[0033] 7 = (1)
[0034] 其中a，b是未知常數(shù)，￡是隨機(jī)誤差，它表示許多沒有考慮的因素的綜合影響，可以 認(rèn)為 _￡￡：=.0。
[0035] 對(duì)每一個(gè)觀察點(diǎn)(xi，yi)，根據(jù)(1)式應(yīng)滿足
[0036] = = 玲） (2)
[0037] 設(shè)是我們所需求的估計(jì)，圖6中我們給出一根紅色的線表示理想的理論Y值。在 x=xi處，（xi，yi)與之間的偏差是：
[0038] Ay^ ^ = 12,- h) (3)
[0039] 這里有n個(gè)觀察點(diǎn)的偏差值，應(yīng)該綜合考慮，顯然我們不能用代數(shù)和來表示，因?yàn)?偏差有正有負(fù)，它們的代數(shù)和會(huì)出現(xiàn)正負(fù)相抵消而不能代表真正的總偏差。若取絕對(duì)值后 再求和，顯然可以避免這一缺點(diǎn)，但卻不便于作數(shù)學(xué)運(yùn)算，所以采用偏差平方和來表示總偏 差
（4)
[0040] 使左達(dá)到極小值，作為a，b的估計(jì)。由于石是a，b的非負(fù)二次函數(shù)，這種極小值一定存 在。由微積分知道，使友i到極小的a，b應(yīng)滿足下列議程組：
[0042] 整理后，得
[0044] 若記
[0046] 則由議程組式(6)得
(7) (8)
[0049] 這里求得的g，就是我們所需要的移動(dòng)平均值MA(X20)。
[0050] 對(duì)于某一特定的樣本區(qū)間（例如L5)，很顯然在整個(gè)激勵(lì)過程中瞬時(shí)獲得的激勵(lì)采 樣值L5Yx應(yīng)圍繞其移動(dòng)平均值MA(X20)發(fā)生擾動(dòng)，如圖6所示各采樣點(diǎn)將圍繞著圖中的紅線 上下波動(dòng)，也即兩激勵(lì)變化差Y=RB1605-RB1609應(yīng)以較大的概率處于以移動(dòng)平均值為軸心 的上下各偏移一定范圍的帶狀區(qū)域之中，即如圖6所示我們標(biāo)出的藍(lán)色帶狀區(qū)域。當(dāng)差脫離 這一范圍一定區(qū)域后，雖然這種差相對(duì)于核心帶狀區(qū)域的有可能進(jìn)一步擴(kuò)展但最終將以極 大的概率在較短的時(shí)間內(nèi)回歸到這一區(qū)域之內(nèi)。差值對(duì)帶狀區(qū)域的反復(fù)跳出和回歸就構(gòu)成 了本專利仿真策略的機(jī)制。
[00511 具體而言，移動(dòng)平均值回復(fù)策略的核心就是：當(dāng)L5Yx= RB1605-RB1609值上穿帶狀 區(qū)域的上沿時(shí)，表示L5Yx= RB1605-RB1609值偏大，我們將減小光場(chǎng)激勵(lì)RB1605的值，同時(shí) 增加溫度場(chǎng)激勵(lì)RB1609的值，等L5 Yz (z表示x點(diǎn)后的某個(gè)采樣點(diǎn))值回歸到MA( z 20 )時(shí)，則繼 續(xù)按照原來的圖5激勵(lì)示樣繼續(xù)；同樣的道理，當(dāng)L5Yx= RB1605-RB1609值下穿帶狀區(qū)域的 下沿時(shí)，表示L5Yx= RB1605-RB1609值偏小，我們將增加光場(chǎng)激勵(lì)RB1605的值，同時(shí)減小溫 度場(chǎng)激勵(lì)RB 1609的值，等L5 Yz (z表示x點(diǎn)后的某個(gè)采樣點(diǎn))值回歸到MA (z 20 )時(shí)，則繼續(xù)按照 原來的圖5激勵(lì)示樣繼續(xù)。
[0052] 在策略的具體實(shí)現(xiàn)上，我們把偏離移動(dòng)平均值的上沿或下沿邊緣值定義為漂移閥 值FL，那么移動(dòng)平均值MA和漂移閥值FL設(shè)定是這一策略實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵參數(shù)，在仿真測(cè)試 中我們采用了 MA=20以及MA=10的設(shè)定;FL的設(shè)定我們統(tǒng)一為FL=MA*1.1。而衡量整個(gè)仿真效 果的好壞我們用Q值表示(Q值默認(rèn)在不實(shí)施本策略時(shí)為1，Q值越大越好），Q值實(shí)際中是通過 傳統(tǒng)原子鐘輸出頻率信號(hào)通過頻穩(wěn)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試獲得的。
[0053] 第五步:策略測(cè)試。我們測(cè)試在以下條件下進(jìn)行：圖1系統(tǒng)每次激勵(lì)及采樣的時(shí)間t =1秒、完整的一組激勵(lì)測(cè)試時(shí)間為6240秒、移動(dòng)平均值MA=20和10、漂移閥值FL= MA*1.1、激 勵(lì)源選擇為光場(chǎng)激勵(lì)和溫度場(chǎng)激勵(lì)（即RB1605和RB1609)、樣本區(qū)間選擇為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、 L5。測(cè)試結(jié)果如圖7所示；由圖7仿真結(jié)果來看，每一個(gè)仿真的Q值都較初始值有較大的增加， 說明在采有了本專利的回歸策略后有助于使整個(gè)原子鐘系統(tǒng)輸出的信號(hào)頻率更穩(wěn)定。再者 研究人員應(yīng)該選擇較窄的樣本區(qū)間（例如表中L2 )及較長(zhǎng)周期的移動(dòng)平均值(例如MA=20 )。 這樣的仿真結(jié)果與實(shí)際情況是相符的：因?yàn)樵陂]環(huán)的原子鐘系統(tǒng)中，較短伺服的響應(yīng)時(shí)間 (對(duì)應(yīng)于表中的較大的回歸次數(shù))及較高的伺服響應(yīng)精度(對(duì)應(yīng)于表中的較小的樣本區(qū)間 L2 )都有利于整機(jī)系統(tǒng)的性能(對(duì)應(yīng)于表中較大的Q值）。
[0054]與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是：本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)合理， 通過以一種外部激勵(lì)方式引發(fā)原子鐘內(nèi)部相應(yīng)場(chǎng)強(qiáng)發(fā)生變化，在極短時(shí)間內(nèi)評(píng)估仿真結(jié) 果，為本領(lǐng)域開展相應(yīng)的研發(fā)工作提供參考;通過本專利策略的仿真實(shí)施，更大的意義在于 提出了一種雙參數(shù)同時(shí)改變改善原子鐘整機(jī)系統(tǒng)性能的方法，并驗(yàn)證了其可行性。
【附圖說明】
[0055] 圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理不意圖；
[0056] 圖2為本實(shí)用新型中在磁場(chǎng)激勵(lì)條件下光電檢測(cè)數(shù)據(jù)圖；
[0057] 圖3為本實(shí)用新型中在光場(chǎng)激勵(lì)條件下光電檢測(cè)數(shù)據(jù)圖；
[0058]圖4為本實(shí)用新型中溫度場(chǎng)激勵(lì)條件下光電檢測(cè)數(shù)據(jù)圖；
[0059] 圖5為本實(shí)用新型中樣本區(qū)間內(nèi)光場(chǎng)激勵(lì)和溫度場(chǎng)激勵(lì)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖；
[0060] 圖6為本實(shí)用新型中采樣-時(shí)間曲線圖；
[0061] 圖7為本實(shí)用新型中仿真測(cè)試結(jié)果圖表。
【具體實(shí)施方式】
[0062] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0063] 請(qǐng)參閱圖1-7,圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為本實(shí)用新型中在磁場(chǎng)激 勵(lì)條件下光電檢測(cè)數(shù)據(jù)圖；圖3為本實(shí)用新型中在光場(chǎng)激勵(lì)條件下光電檢測(cè)數(shù)據(jù)圖；圖4為 本實(shí)用新型中溫度場(chǎng)激勵(lì)條件下光電檢測(cè)數(shù)據(jù)圖；圖5為本實(shí)用新型中樣本區(qū)間內(nèi)光場(chǎng)激 勵(lì)和溫度場(chǎng)激勵(lì)的數(shù)據(jù)對(duì)比圖；圖6為本實(shí)用新型中采樣_時(shí)間曲線圖；圖7為本實(shí)用新型中 仿真測(cè)試結(jié)果圖表。
[0064] -種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，包括光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、濾光模塊、溫度場(chǎng) 激勵(lì)發(fā)生器、磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、共振吸收模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊;所述光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器連接有 光譜燈源，所述光譜燈源的光線穿過透鏡后經(jīng)過濾光模塊后到達(dá)共振吸收模塊;所述共振 吸收模塊連接有溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器和磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器，所述共振吸收模塊還連接有光強(qiáng)檢 測(cè)模塊。
[0065] 所述光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式脈沖激勵(lì)源，用于激勵(lì)光譜燈源內(nèi)的光 元素起輝發(fā)光，并且可以控制其光強(qiáng)的大小。
[0066] 所述濾光模塊內(nèi)含有與光譜燈源內(nèi)光元素的同位素物質(zhì)，用于對(duì)光譜燈源發(fā)出的 光進(jìn)行初次濾光作用。
[0067] 所述溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式溫控源，為共振吸收模塊中的元素提 供溫度場(chǎng)。
[0068] 所述磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式電流源，電流通過共振吸收模塊內(nèi)的螺 旋管線圈產(chǎn)生可調(diào)式磁場(chǎng)，為共振吸收模塊中的元素進(jìn)行原子分裂提供C場(chǎng)。
[0069] 所述共振吸收模塊中含有與光譜燈源中光元素相同的元素物質(zhì)，與透過濾光模塊 中的光進(jìn)行共振作用產(chǎn)生能級(jí)躍迀達(dá)到吸收作用。
[0070] 所述光強(qiáng)檢測(cè)模塊對(duì)光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、濾光模塊、溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā) 生器和共振吸收模塊中的從左至右光強(qiáng)產(chǎn)生的透光進(jìn)行多次光電檢測(cè)。
[0071] 作為本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例，采用如下實(shí)施原理進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)：
[0072] 第一步:分別改變圖1中各場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)大小，通過光強(qiáng)檢測(cè)模塊同步地記錄光電檢測(cè) 數(shù)據(jù)。得到圖2、3、4的檢測(cè)結(jié)果(注意：圖2、3、4中橫坐標(biāo)是按照傳統(tǒng)原子鐘改變射頻場(chǎng)大 小，而相應(yīng)改變磁場(chǎng)、光場(chǎng)、溫度場(chǎng)激勵(lì)的效果在各圖體現(xiàn)在不同顏色的曲線上）。
[0073] 第二步:找出有足夠敏感性的場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)。具體如下:在三個(gè)圖中相應(yīng)的曲線斜率較 大處我們可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于圖2的磁場(chǎng)激勵(lì)曲線斜率較大處的縱坐標(biāo)值集中在-1.5和+1.5處； 對(duì)于圖3的光場(chǎng)激勵(lì)曲線斜率較大處的縱坐標(biāo)值集中在(-1.75至-0.75)和(0.75至1.75)區(qū) 域;對(duì)于圖4的溫度場(chǎng)激勵(lì)曲線斜率較大處的縱坐標(biāo)值集中在(-1.6至-0.6)和(0.75至1.6) 區(qū)域。以上說明圖1中的系統(tǒng)光檢測(cè)輸出對(duì)于溫度場(chǎng)和光強(qiáng)激勵(lì)變化敏感、而對(duì)磁強(qiáng)激勵(lì)變 化不敏感。于是我們確定光強(qiáng)激勵(lì)及溫度場(chǎng)激勵(lì)為仿真對(duì)象，定義RB1605為光強(qiáng)激勵(lì)產(chǎn)生 的光電檢測(cè)仿真結(jié)果、定義RB1609為溫度強(qiáng)激勵(lì)產(chǎn)生的光電檢測(cè)仿真結(jié)果、定義Y為光強(qiáng)激 勵(lì)減去溫度場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生的光電檢測(cè)仿真結(jié)果，即Y=RB1605-RB1609。
[0074] 第三步:確定樣本區(qū)間及激勵(lì)源變化方向。對(duì)于選定的光強(qiáng)激勵(lì)及溫度場(chǎng)激勵(lì)，我 們?cè)谏鲜鰷y(cè)試仿真時(shí)是相應(yīng)的大范圍改變對(duì)應(yīng)各圖中的Z軸激勵(lì)參數(shù)，可以說它反映了可 能出現(xiàn)的各種情況。為此我們按照?qǐng)D5選擇相應(yīng)的樣本區(qū)間：圖5中實(shí)線部分為最大的樣本 空間記為L(zhǎng)5,虛線部分為其余的小樣本區(qū)間示意圖，它的選擇是將L5進(jìn)行壓縮至1/4、1/6、 1/12、1/20,分別記為14丄3、12丄1。在上述區(qū)間中，按照?qǐng)D5選擇光場(chǎng)及溫度場(chǎng)激勵(lì)方向，使 兩者變化方向相反。
[0075] 第四步：建立策略模型，獲得移動(dòng)平均值及漂移閥值。在第二步中我們定義了Y= RB1605-RB1609,在第三步中我們選擇一個(gè)具體的樣本區(qū)間（例如L5)并且使RB1605和 RB1609采取反方向激勵(lì)變化，得到的按秒級(jí)時(shí)間間隔采樣的數(shù)據(jù)曲線如圖6所示：
[0076]對(duì)于某一特定的樣本區(qū)間（例如L5)，很顯然在整個(gè)激勵(lì)過程中瞬時(shí)獲得的激勵(lì)采 樣值L5Yx應(yīng)圍繞其移動(dòng)平均值MA(X20)發(fā)生擾動(dòng)，如圖6所示各采樣點(diǎn)將圍繞著圖中的紅線 上下波動(dòng)，也即兩激勵(lì)變化差Y=RB1605-RB1609應(yīng)以較大的概率處于以移動(dòng)平均值為軸心 的上下各偏移一定范圍的帶狀區(qū)域之中，即如圖6所示我們標(biāo)出的藍(lán)色帶狀區(qū)域。當(dāng)差脫離 這一范圍一定區(qū)域后，雖然這種差相對(duì)于核心帶狀區(qū)域的有可能進(jìn)一步擴(kuò)展但最終將以極 大的概率在較短的時(shí)間內(nèi)回歸到這一區(qū)域之內(nèi)。差值對(duì)帶狀區(qū)域的反復(fù)跳出和回歸就構(gòu)成 了本專利仿真策略的機(jī)制。
[0077] 具體而言，移動(dòng)平均值回復(fù)策略的核心就是：當(dāng)L5Yx= RB1605-RB1609值上穿帶狀 區(qū)域的上沿時(shí)，表示L5Yx= RB1605-RB1609值偏大，我們將減小光場(chǎng)激勵(lì)RB1605的值，同時(shí) 增加溫度場(chǎng)激勵(lì)RB1609的值，等L5 Yz (z表示x點(diǎn)后的某個(gè)采樣點(diǎn))值回歸到MA( z 20 )時(shí)，則繼 續(xù)按照原來的圖5激勵(lì)示樣繼續(xù)；同樣的道理，當(dāng)L5Yx= RB1605-RB1609值下穿帶狀區(qū)域的 下沿時(shí)，表示L5Yx= RB1605-RB1609值偏小，我們將增加光場(chǎng)激勵(lì)RB1605的值，同時(shí)減小溫 度場(chǎng)激勵(lì)RB 1609的值，等L5 Yz (z表示x點(diǎn)后的某個(gè)采樣點(diǎn))值回歸到MA (z 20 )時(shí)，則繼續(xù)按照 原來的圖5激勵(lì)示樣繼續(xù)。
[0078] 在策略的具體實(shí)現(xiàn)上，我們把偏離移動(dòng)平均值的上沿或下沿邊緣值定義為漂移閥 值FL，那么移動(dòng)平均值MA和漂移閥值FL設(shè)定是這一策略實(shí)現(xiàn)過程的關(guān)鍵參數(shù)，在仿真測(cè)試 中我們采用了 MA=20以及MA=10的設(shè)定;FL的設(shè)定我們統(tǒng)一為FL=MA*1.1。而衡量整個(gè)仿真效 果的好壞我們用Q值表示(Q值默認(rèn)在不實(shí)施本策略時(shí)為1，Q值越大越好），Q值實(shí)際中是通過 傳統(tǒng)原子鐘輸出頻率信號(hào)通過頻穩(wěn)測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試獲得的。
[0079] 第五步:策略測(cè)試。我們測(cè)試在以下條件下進(jìn)行：圖1系統(tǒng)每次激勵(lì)及采樣的時(shí)間t =1秒、完整的一組激勵(lì)測(cè)試時(shí)間為6240秒、移動(dòng)平均值MA=20和10、漂移閥值FL= MA*1.1、激 勵(lì)源選擇為光場(chǎng)激勵(lì)和溫度場(chǎng)激勵(lì)（即RB1605和RB1609)、樣本區(qū)間選擇為L(zhǎng)1、L2、L3、L4、 L5。測(cè)試結(jié)果如圖7所示；由圖7仿真結(jié)果來看，每一個(gè)仿真的Q值都較初始值有較大的增加， 說明在采有了本專利的回歸策略后有助于使整個(gè)原子鐘系統(tǒng)輸出的信號(hào)頻率更穩(wěn)定。再者 研究人員應(yīng)該選擇較窄的樣本區(qū)間（例如表中L2 )及較長(zhǎng)周期的移動(dòng)平均值(例如MA=20 )。 這樣的仿真結(jié)果與實(shí)際情況是相符的：因?yàn)樵陂]環(huán)的原子鐘系統(tǒng)中，較短伺服的響應(yīng)時(shí)間 (對(duì)應(yīng)于表中的較大的回歸次數(shù))及較高的伺服響應(yīng)精度(對(duì)應(yīng)于表中的較小的樣本區(qū)間 L2 )都有利于整機(jī)系統(tǒng)的性能(對(duì)應(yīng)于表中較大的Q值）。
[0080] 以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本實(shí)用新型，凡在本 實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，其特征在于:包括光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、濾光模 塊、溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、共振吸收模塊、光強(qiáng)檢測(cè)模塊;所述光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生 器連接有光譜燈源，所述光譜燈源的光線穿過透鏡后經(jīng)過濾光模塊后到達(dá)共振吸收模塊； 所述共振吸收模塊連接有溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器和磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器，所述共振吸收模塊還連接 有光強(qiáng)檢測(cè)模塊。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述光 場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式脈沖激勵(lì)源，用于激勵(lì)光譜燈源內(nèi)的光元素起輝發(fā)光， 并且可以控制其光強(qiáng)的大小。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述濾 光模塊內(nèi)含有與光譜燈源內(nèi)光元素的同位素物質(zhì)，用于對(duì)光譜燈源發(fā)出的光進(jìn)行初次濾光 作用。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述溫 度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式溫控源，為共振吸收模塊中的元素提供溫度場(chǎng)。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述磁 場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器是一個(gè)受控的可調(diào)式電流源，電流通過共振吸收模塊內(nèi)的螺旋管線圈產(chǎn)生可 調(diào)式磁場(chǎng)，為共振吸收模塊中的元素進(jìn)行原子分裂提供C場(chǎng)。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述共 振吸收模塊中含有與光譜燈源中光元素相同的元素物質(zhì)，與透過濾光模塊中的光進(jìn)行共振 作用產(chǎn)生能級(jí)躍迀達(dá)到吸收作用。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種外部場(chǎng)強(qiáng)激勵(lì)式原子頻標(biāo)仿真系統(tǒng)，其特征在于:所述光 強(qiáng)檢測(cè)模塊對(duì)光場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、濾光模塊、溫度場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器、磁場(chǎng)激勵(lì)發(fā)生器和共振吸收 模塊中的從左至右光強(qiáng)產(chǎn)生的透光進(jìn)行多次光電檢測(cè)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK205563571SQ201620309695
【公開日】2016年9月7日
【申請(qǐng)日】2016年4月14日
【發(fā)明人】葉楊婷
【申請(qǐng)人】江漢大學(xué)