一种备份式集成共振式授时系统校准方法
技术领域
本发明涉及时间校准领域，尤其涉及一种备份式集成共振式授时系统校准方法。
背景技术
随着现代时间校准科技技术与制造工艺的加速提升，使得时间校准的应用更加民用化、普及化，而且性能指标也得到提升。即便这样，但对于运行于卫星上的时间校准而言，我们还关心它的一个性能参数，即寿命。用于空间站或卫星上的时间校准因为承担了长期的跟精密时间相关的工作，如果由于时间校准内部物理系统部分的碱金属原子消耗待尽而继续无法服役，我们只能够从地面上重新换一台时间校准上天才能维持它所承担工作的延续性，这显然对连续精密时间任务是非常不利的，而且会给我们带来换钟的麻烦。
基于以上原因，需要一种备份式集成共振式授时系统校准方法被设计出来，通过在物理系统中本专利设置了两个性能完全一致的集成滤光共振吸收泡，并构建了两组微波激励结构，结合外围两组电路实现整个时间校准系统的闭环锁定。这相当于在一个体系中提供了两个完全一样的时间校准，所以当外界环境变化，诸如温度的变化，电磁辐射干扰等这两个系统都应该得到一样的反映，我们正是利用这一点，来完成一台时间校准的长寿命工作备份，即一种备份式集成共振式授时系统校准方法。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供了一种备份式集成共振式授时系统校准方法。
本发明是通过以下技术方案实现：
一种备份式集成共振式授时系统校准方法，包括相互信号连通的光抽运谱灯、共振探测部分、压控晶体振荡器VCXO和伺服电路。
所述光抽运谱灯是一个无极放电的铷灯，灯泡内除了充有铷外，还充有激发电位低的惰性启辉气体。常用的启辉气体为Kr或Ar。整个灯由射频源激励发光。
所述压控晶体振荡器VCXO是激励微波场的初始信号源，并提供标准频率输出，其振荡频率受伺服纠偏电压控制，对时间校准而言，它的相位噪声决定了伺服环路带宽以外的输出信号的相噪特性。
所述伺服电路将物理系统输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制压控晶体振荡器的输出频率，从而完成环路的锁定。
所述共振探测部分由微波腔、C场、集成滤光共振泡、光电池等组成。
进一步地，所述微波腔的主要作用是为原子的微波共振提供合适的微波场，通过耦合环将外部电子线路的微波引入腔体中。同时受恒温控制，为集成滤光共振泡提供温度恒定的工作环境。
进一步地，所述C场线圈的作用是产生一个和微波磁场方向相平行的弱静磁场，使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴，同时通过调节Ｃ场电流的大小，改变磁场的强度，微调系统的输出频率。
进一步地，所述光电池，作为集成滤光共振泡透射光的探测器。
进一步地，所述集成滤光共振泡是整个物理系统的关键部件，在集成滤光共振泡中为进行滤光和原子共振，除需要充入适量的87Rb及85Rb外，还需充入适当压力的混合缓冲气体，以进行荧光焠灭、能级混杂和减小多谱勒频移。集成滤光共振泡中的87Rb原子的基态超精细跃迁频率即是铷时间校准的量子鉴频参考频率。本专利拟用两个集成滤光共振泡组成，中间用金属屏蔽层隔离因微波辐射干扰引起的影响。
进一步地，在物理系统中本专利设置了两个性能完全一致的集成滤光共振吸收泡，并构建了两组微波激励结构，结合外围两组电路实现整个时间校准系统的闭环锁定。这相当于在一个体系中提供了两个完全一样的时间校准，所以当外界环境变化，诸如温度的变化，电磁辐射干扰等这两个系统都应该得到一样的反映。我们正是利用这一点，来完成一台时间校准的长寿命工作备份。如图2所示，平时左边的集成滤光共振泡按照传统时间校准原理参与正常的光抽运、光检测，即有微波信号通过耦合环1作用到系统中，而此时右边的泡并没有微波场能量的馈入，随着时间的流逝，左边集成滤光共振泡中的碱金属元素将逐渐消耗，而右边的由于没有消耗，比如说在5年后中，左边的泡将成为废泡，这时系统将启用右边的泡进行长寿命的工作延续，此时微波信号通过耦合环2馈入到右边的腔泡系统中。
具体方案如图3所示。图3中光电池1包含两块同一厂商、同一型号的两块光电池1A、1B，并分别服务于同步鉴相1和同步鉴相2模块。而光电池2处只含有一个光电池，选择上与上述1A、1B一致。
温度控制模块：里面含有温控芯片（控温用）、以及热敏电阻（测温用）。受中央处理器控制可以设定温度值T，由于整个温度控制模块置于高稳晶振VCXO(温控模块1)和微波射频源(温控模块2)中，所以中央处理器可以设置对应的工作环境温度、以及获得实际的工作环境温度信息。
其原理如图4所示；其中两个R以及R1为具有相同温度系数的电阻，其阻值应该选择与Rk相当。这里R1的值反映了实际工作环境温度T。Rk为一个热敏电阻，它贴于温控模块的表面，用以感知实际的工作环境温度T。故当工作环境温度T无变化时，上图中电桥处于平衡，输送至加热线圈环路的温度补偿电压值为0。一旦工作环境温度T发生变化，则热敏电阻Rk的阻值将变小（温度升高）或变大（温度降低），那么电桥两端存在电压差，经运算放大器A差分放大后变为温度补偿电压输送至电压源，同时输出给传统加热丝线圈环路。整个电路的放大增益由运算放大器的负反馈电阻Rw调节，Rw为一数字电位计，通过调节Rw的阻值以达到上述电路补偿因子改变功能。
增益调节模块如图5所示，图5中的桥路测温模块与上述所说的温控模块原理一致。
压控模块中的桥路测温主要由两个阻值相同的R，一个预设温度值热敏电阻传感器Ro（它决定了VCXO的工作环境温度）及测温热敏电阻Rk组成。当VCXO工作环境温度恒定时，即热敏电阻Rk测量值与预设值Ro相等，此时电阻桥路A、B端输出电压差将为0，整个压控模块输出端Uout输出为0。当VCXO工作环境温度发生改变时，则桥路的A、B端形成一定的电压差，通过电压跟随器A1及A2的传递送至A3进行差分放大，考虑到放大后的电压差能够有效得采集，所以在差分放大A3的输出端增加了一个增益线性调节电路A4。得到的压控模块电压差Uout与中央处理器产生的压控电压求和后，送至VCXO模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过在物理系统中本专利设置了两个性能完全一致的集成滤光共振吸收泡，并构建了两组微波激励结构，结合外围两组电路实现整个时间校准系统的闭环锁定。这相当于在一个体系中提供了两个完全一样的时间校准，所以当外界环境变化，诸如温度的变化，电磁辐射干扰等这两个系统都应该得到一样的反映，我们正是利用这一点，来完成一台时间校准的长寿命工作备份。
附图说明
图1为本发明的工作原理图；
图2为本发明中集成滤光共振吸收泡原理图；
图3为本发明中改进的迟滞伺服系统原理图；
图4为本发明中温度控制模块工作原理图；
图5为本发明中增益调节模块工作原理图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1-5，图1为本发明的工作原理图，图2为本发明中集成滤光共振吸收泡原理图，图3为本发明中改进的迟滞伺服系统原理图，图4为本发明中温度控制模块工作原理图，图5为本发明中增益调节模块工作原理图。
一种备份式集成共振式授时系统校准方法，包括相互信号连通的光抽运谱灯、共振探测部分、压控晶体振荡器VCXO和伺服电路，所述光抽运谱灯是一个无极放电的铷灯，灯泡内除了充有铷外，还充有激发电位低的惰性启辉气体。常用的启辉气体为Kr或Ar。整个灯由射频源激励发光，所述压控晶体振荡器VCXO是激励微波场的初始信号源，并提供标准频率输出，其振荡频率受伺服纠偏电压控制，对时间校准而言，它的相位噪声决定了伺服环路带宽以外的输出信号的相噪特性，所述伺服电路将物理系统输出的量子鉴频信号转变为直流纠偏电压，来控制压控晶体振荡器的输出频率，从而完成环路的锁定，所述共振探测部分由微波腔、C场、集成滤光共振泡、光电池等组成。
作为本发明一个较佳的实施例，本发明前3-5年图3的工作模示如下：
综合模块产生的调制信号与同步1、同步2信号是相干的三路信号，即频率与相位均相同。
1、系统首先分别启动同步鉴相1、同步鉴相2按照传统伺服原理完成图1的整个物理系统中原子吸收谱线的扫频，并同时获得相应的频率f1、f2处对应的电压值V1、V2，对于同步鉴相1而言我们记为V11、V12，而对于同步鉴相2而言我们记为V21、V22，并同时存储于中央处理器中。
2、然后，图3系统进入闭环工作时，我们以同步鉴相1模块作为传统的同步鉴相主模块，而同步鉴相2模块用于辅助判断。按照传统的方案，DV1=V11-V12将作为整个物理系统是否闭环锁定的判断依据，这个依据已经由中央处理器存储并由它来判断，即现在假如不使能同步鉴相2工作，系统将以同步鉴相1工作在某一时刻，获得的同步鉴相误差信号DW1传递至中央处理器，中央处理器将做如下运算：DW1-DV1，如果为负数，中央处理器将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳定晶振，使其输出频率值上升；同样，如果为正数，中央处理器将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳定晶振，使其输出频率值下降。最终动态的使DW1-DV1=0。
3、跟传统技术相比，我们引入了辅助模块同步鉴相2。由于进入同步鉴相1、同步鉴相2的量子鉴频信号均是来自于图2中物理系统中的左边集成滤光共振系统中的光电池1A、1B。在这里我们希望获得的两路量子鉴频信号能够反映一致的信息，故对于用TE111形式的谐振腔而言，微波磁场的纵向分量的强度在耦合环两侧最强，所以在工作状态下原子共振跃迁信号最强的地方在腔体两边，故将光电池1A与光电池1B对称地安装在中心轴线的两侧。这样它们获得的信号最强并且能够一致的反映物理系统的量频情况。
按照上述2的方法，中央处理器将分别判断DW1-DV1、DW2-DV2，如果它们同时为正或负，说明系统由于物理系统部分原因需要纠偏，那么中央处理器将按照上述2的方式利用同步鉴相1完成整个闭环锁定。
如果中央处理器将分别判断DW1-DV1、DW2-DV2，它们出现（正、负）或（负、正），说明系统可能是由于外围电路的干扰出现了不同的纠偏需求，此时，中央处理器将不进行纠偏操作，即不改变高稳晶振的频率。
如果中央处理器将分别判断DW1-DV1、DW2-DV2，它们出现（0，正或负），那么由于同步鉴相1为主同步鉴相模块，所以中央处理器认为此时已锁定，将不进行纠偏操作，即不改变高稳晶振的频率。
如果中央处理器将分别判断DW1-DV1、DW2-DV2，它们出现（正或负，0），那么由于同步鉴相1为主同步鉴相模块，所以中央处理器认为此时并未锁定，将进行纠偏操作，即改变高稳晶振的频率。
上述的四种情况，中央处理器分别进行相应的操作，直至DW1-DV1=0实现整个系统的闭环锁定。
以上采用同步鉴相1和同步鉴相2同时工作模示，是为了进一步提高系统的短期稳定度及避免因外围干扰或内部工作造成的干扰而设置的。
作为本发明另一个较佳的实施例，本发明3-5年过后，图3工作模示如下：
综合模块产生的调制信号与同步1信号是相干的二路信号，即频率与相位均相同，但不再产生同步2信号，因为此时，3-5年后系统已经进入非常稳定工作运行状态，不需要考虑系统的短稳，更多的是考虑时间校准的寿命。所以此时我们关闭了同步鉴相2的辅助判断模块。
按照传统的方案，DV1=V11-V12将作为整个物理系统是否闭环锁定的判断依据，这个依据已经由中央处理器存储并由它来判断，系统将以同步鉴相1工作在某一时刻，获得的同步鉴相误差信号DW1传递至中央处理器，中央处理器将做如下运算：DW1-DV1，如果为负数，中央处理器将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳定晶振，使其输出频率值上升；同样，如果为正数，中央处理器将输出相应的量子纠偏信号作用于高稳定晶振，使其输出频率值下降。最终动态的使DW1-DV1=0。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
