专利名称：测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法
技术领域：
本发明涉及被动型铷原子频标领域，尤其涉及一种测量铷原子频标的物理系统的 线宽和鉴频斜率的方法。
背景技术：
原子频标是一种具有优良稳定度和准确度的频率源，已广泛应用于卫星的定位、 导航和通信、仪器仪表以及天文等领域。而铷原子频标因其具有体积小、重量轻、功耗低、成 本低等优势而成为目前应用最为广泛的原子频标。铷原子频标包括压控晶体振荡器、物理系统和电子线路。其中，物理系统包括产生 抽运光的光谱灯、存储铷原子的集成滤光共振泡、存储微波场的微波腔、产生平行于所述微 波腔轴线的静磁场的C场线圈(即均勻磁场线圈)、检测光信号的光电池、将微波耦合进所 述微波腔的耦合环以及防止静磁场穿透的磁屏。电子线路具体包括射频倍频�？楹妥酆纤� 服�？椤Ｗ酆纤欧？榘ㄓ糜诓德屎铣芍噶�、同步相位检测参考信号的微处理器、用 于根据微处理器产生的频率合成指令产生综合调制信号的数字频率合成器以及用于根据 微处理器产生的同步相位检测参考信号进行同步相位检测的相敏检波�？�。射频倍频�？� 包括用于将压控晶体振荡器的输出频率进行倍频的射频倍频单元和用于将经过所述射频 倍频单元倍频后的压控晶体振荡器的输出频率和数字频率合成器产生的综合调制信号进 行倍频和混频后得到微波探询信号的微波倍、混频单元。工作时，微波倍、混频单元将产生的微波探询信号作用于物理系统，物理系统在微 波探询信号的作用下输出光电检测信号，相敏检波�？槎怨獾缂觳庑藕沤型较辔患觳� 产生电压信号，微处理器将电压信号进行数/模转后作用于压控晶体振荡器，依次循环，直 到铷原子频标整机锁定，即微波探询信号正好对准铷原子频标的中心频率。待物理系统成型后，下一步就会通过参数优化等试验来验证铷原子频标整机的性 能。其中，物理系统的线宽可为选择调制信号的调制深度提供参考，物理系统的鉴频斜率可 为电子线路中伺服环路选择放大增益提供参考，因而，物理系统的线宽和鉴频斜率是衡量 铷原子频标短期稳定度的一个参考，从而成为关注的焦点。通常，传统测量物理系统线宽的方法需要借助扫频仪和记录仪，测量时，通过扫频 仪在不同时刻输出不同的频率信号并作用于物理系统，同时，通过记录仪记录对应时刻物 理系统的光电检测输出信号。物理系统的线宽为光电检测输出信号值为最大值的一半时， 对应扫频仪的两个频率的差值。测量物理系统的鉴频斜率时，需要借助锁相仪来测量。由上可知，一方面，由于传统的测量物理系统的线宽和鉴频斜率需要借助外围仪 器，因而使得测量过程复杂；另一方面，由于采用传统的测量方法测量时，扫频仪输出的频 率信号和记录仪记录的光电检测信号是分别存储的，而在计算线宽和鉴频斜率时，必须保 证扫频仪输出的频率信号和记录仪记录的光电检测信号是一一对应的关系，因而，在计算 线宽和鉴频斜率时，传统的测量方法比较复杂，且容易出错。因此，有必要提供一种物理系统线宽和鉴频斜率的测量方法来克服上述缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供一种测量物理系统的线宽和鉴频斜率的方法，能方便、快捷 和准确的测量出物理系统的线宽和鉴频斜率。为了实现上述目的，本发明提供了一种测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频 斜率的方法，包括(1)将微波探询信号作用于铷原子频标的物理系统；(2)采集并存储对 所述物理系统输出的光电检测信号采用相敏检波器进行同步相位检测后输出的电压值以 及与所述电压值一一对应的微波探询信号频率值；C3)计算所述电压值的最大值、最小值 和中心值，并查询与所述电压值的最大值、最小值和中心值一一对应的所述微波探询信号 频率值；(4)根据与所述电压值的最大值和最小值一一对应的两个所述微波探询信号频率 值计算所述物理系统的线宽，并以所述电压值的中心值为原点且根据所述电压值以及与所 述电压值一一对应的所述微波探询信号频率值进行曲线拟合，得到所述物理系统的鉴频斜 率。较佳地，所述步骤(4)具体为计算与所述电压值的最大值和最小值一一对应的 两个所述微波探询信号频率值的差值，计算差值的^倍得到所述物理系统的线宽，并以所 述电压值的中心值为原点且根据所述电压值以及与所述电压值一一对应的所述微波探询 信号频率值采用最小二乘法进行曲线拟合，根据拟合曲线的斜率得到所述物理系统的鉴频 斜率。与现有技术相比，本发明是通过直接利用铷原子频标体系内现有的电子线路和压 控晶体振荡器测量对物理系统输出的光电检测信号进行同步相位检测后输出的电压值以 及与所述电压值一一对应的微波探询信号频率值，并根据测得的电压值和微波探询信号频 率值来计算物理系统的线宽和鉴频斜率，因而，本发明测量物理系统的线宽和鉴频斜率的 方法能方便、快捷和准确的测量出物理系统的线宽和鉴频斜率。通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明 的实施例。
图1为采用本发明测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法的铷原 子频标的结构示意图。图2为本发明测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法的主流程图。图3为经过本发明测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法的步骤 S2后得到的鉴频S曲线示意图。
具体实施例方式现在参考附图描述本发明的实施例，附图中类似的元件标号代表类似的元件。如图1所示，采用本发明测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法的 铷原子频标包括压控晶体振荡器10、隔离放大器11、射频倍频单元12、微波倍、混频单元 13、物理系统14、相敏检波器15、微处理器16、数字频率合成器17以及D/A转换器18。其 中，隔离放大器11、射频倍频单元12、微波倍、混频单元13、相敏检波器15、微处理器16、数字频率合成器17以及D/A转换器18构成电子线路。工作时，所述压控晶体振荡器10的输 出频率先经过所述隔离放大器11的隔离和放大后发送给所述射频倍频单元12进行倍频。 同时，所述微处理器16发送频率合成指令给所述数字频率合成器17产生综合调制信号，并 发送键控调频信号使所述数字频率合成器17以所述键控调频信号的频率为周期交替输出 所述综合调制信号。所述综合调制信号和经过倍频的所述压控晶体振荡器10的输出频率 一起进行倍频和混频后产生微波探询信号。所述微波探询信号经过所述物理系统14的鉴 频产生量子鉴频信号，并进入所述相敏检波器15进行鉴相，同步鉴相产生的电压控制信号 U经过所述D/A转换器18进行数字信号到模拟信号的转换后可作用于所述压控晶体振荡器 10，以调整所述压控晶体振荡器10的输出频率f。图2为本发明测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法的流程图。本 发明测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法包括如下步骤步骤Si，将微波探询信号作用于铷原子频标的物理系统14 ；步骤S2，采集并存储对所述物理系统14输出的光电检测信号采用相敏检波器15 进行同步相位检测后输出的电压值以及与所述电压值一一对应的微波探询信号频率值；步骤S3，计算所述电压值的最大值、最小值和中心值，并查询与所述电压值的最大 值、最小值和中心值一一对应的所述微波探询信号频率值；步骤S4，根据与所述电压值的最大值和最小值一一对应的两个所述微波探询信号 频率值计算所述物理系统14的线宽，并以所述电压值的中心值为原点且根据所述电压值 以及与所述电压值一一对应的所述微波探询信号频率值进行曲线拟合，得到所述物理系统 14的鉴频斜率。如图3所示，为经过本发明测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法 的步骤S2后得到的鉴频S曲线示意图。鉴频S曲线与光电检测输出信号构成的吸收曲线 为派生关系。图3中，横坐标标识的是微波探询信号频率值，它记录着D/A转换器18输出 的压控电压U的改变过程，纵坐标标识的是经过相敏检波器15鉴相后得到的电压值。在计 算物理系统14的线宽时，首先找到鉴频S曲线中纵坐标的最大值Vh和最小值\，并找到与 最大值Vh和最小值\ 一一对应的横坐标的两个值f2和，再根据公式(/2-Z1)* V^可计算 得到物理系统14的线宽。在计算物理系统14的鉴频斜率时，首先找到鉴频S曲线中纵坐 标上最接近0的点Ref，即中心值，具体是通过将鉴频S曲线中纵坐标的值分别与零做绝对 值，绝对值最小的即为中心值。找到中心值之后，以此中心值对应的点的位置为原点(0，0)， 依次分别向其左右沿横坐标各取20个点，然后对这41个点的数据通过最小二乘法进行曲 线拟合，得到拟合的曲线方程为y = Kx+b，其中K的值即为物理系统14的鉴频斜率。如上所述，本发明是通过直接利用铷原子频标体系内现有的电子线路和压控晶体 振荡器10测量对物理系统14输出的光电检测信号进行同步相位检测后输出的电压值以及 与所述电压值一一对应的微波探询信号频率值，并根据测得的电压值和微波探询信号频率 值来计算物理系统14的线宽和鉴频斜率，因而，本发明测量物理系统14的线宽和鉴频斜率 的方法能方便、快捷和准确的测量出物理系统14的线宽和鉴频斜率。以上结合最佳实施例对本发明进行了描述，但本发明并不局限于以上揭示的实施 例，而应当涵盖各种根据本发明的本质进行的修改、等效组合。
权利要求
1.一种测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法，包括(1)将微波探询信号作用于铷原子频标的物理系统；(2)采集并存储对所述物理系统输出的光电检测信号采用相敏检波器进行同步相位检 测后输出的电压值以及与所述电压值一一对应的微波探询信号频率值；(3)计算所述电压值的最大值、最小值和中心值，并查询与所述电压值的最大值、最小 值和中心值一一对应的所述微波探询信号频率值；(4)根据与所述电压值的最大值和最小值一一对应的两个所述微波探询信号频率值计 算所述物理系统的线宽，并以所述电压值的中心值为原点且根据所述电压值以及与所述电 压值一一对应的所述微波探询信号频率值进行曲线拟合，得到所述物理系统的鉴频斜率。
2.如权利要求1所述的测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法，其特征 在于，所述步骤(4)具体为计算与所述电压值的最大值和最小值一一对应的两个所述微波探询信号频率值的差 值，计算差值的^倍得到所述物理系统的线宽，并以所述电压值的中心值为原点且根据所 述电压值以及与所述电压值一一对应的所述微波探询信号频率值采用最小二乘法进行曲 线拟合，根据拟合曲线的斜率得到所述物理系统的鉴频斜率。
全文摘要
本发明公开了一种测量铷原子频标的物理系统的线宽和鉴频斜率的方法，包括步骤(1)将微波探询信号作用于物理系统；(2)采集并存储对物理系统输出的光电检测信号进行同步相位检测后输出的电压值以及与电压值一一对应的微波探询信号频率值；(3)计算电压值的最大值、最小值和中心值，并查询与电压值的最大值、最小值和中心值一一对应的微波探询信号频率值；(4)根据与电压值的最大值和最小值一一对应的两个微波探询信号频率值计算物理系统的线宽，并以电压值的中心值为原点且根据电压值以及与电压值一一对应的微波探询信号频率值进行曲线拟合，得到物理系统的鉴频斜率。本发明的方法能方便、快捷和准确的测量出物理系统的线宽和鉴频斜率。
文档编号G01R29/02GK102147435SQ20111004436
公开日2011年8月10日 申请日期2011年2月21日 优先权日2011年2月21日
发明者管桦, 雷海东 申请人:江汉大学
专业数控铣床产品供应商
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