[發明專利]基于卡爾曼濾波最優狀態估計的高穩定原子鐘及實現方法

有效

• 申請號: 202110247273.6
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN113064339B
• 公開（公告）日: 2022-03-18
• 發明（設計）人: 陳景標;關笑蕾
• 申請（專利權）人: 溫州激光與光電子協同創新中心
• 主分類號: G04F5/14
• 分類號: G04F5/14
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

1.一種基于卡爾曼濾波最優狀態估計的高穩定度原子鐘實現方法，其特征是，

采用卡爾曼濾波算法與PID控制技術，利用卡爾曼濾波器對信號進行有效濾波，把濾波后的信號反饋給PID控制器，減小過程噪聲和測量噪聲對系統控制參數的影響，從而實現控制參數的最優化，改善控制效果，使控制系統快速趨于平穩狀態，由此大幅提高原子鐘系統的頻率穩定度；

通過卡爾曼濾波技術對控溫精度需求高的原子鐘進行控溫，顯著改善溫度對原子躍遷頻率的影響，抑制系統中長期頻率穩定度的漂移，由此極大提高原子鐘系統的中長期穩定度；

所述基于卡爾曼濾波最優狀態估計的高穩定度原子鐘包括：卡爾曼濾波模塊、匹配卡爾曼濾波功能的受控振蕩器、匹配卡爾曼濾波功能的倍頻與頻率綜合變換電路、原子鑒頻器、高速探測器、匹配卡爾曼濾波功能的PID控制器；

所述基于卡爾曼濾波最優狀態估計的高穩定度原子鐘實現方法包括以下步驟：

1)將匹配卡爾曼濾波功能的受控振蕩器發出的電磁振蕩信號傳輸至匹配卡爾曼濾波功能的倍頻與頻率綜合變換電路，得到頻率接近于原子頻率的電磁波信號；

2)原子鑒頻器在接收到步驟1)中產生的電磁波信號時做出響應，發射或吸收相應頻率的電磁波信號；發射或吸收的電磁波信號被高速探測器接收；

3)經高速探測器輸出的電信號傳輸至匹配卡爾曼濾波功能的PID控制器中進行解算后的電信號，與對匹配卡爾曼濾波功能的倍頻與頻率綜合變換電路輸出的電磁波信號進行測量得到的電信號，一起輸入至卡爾曼濾波模塊中進行濾波；

4)卡爾曼濾波模塊具體利用遞推的方式對每一時刻的測量值和預測值求出最小均方誤差，在得出上一時刻預測值的基礎上，根據當前時刻的測量值進行線性修正，得出當前時刻對下一時刻更為精確的最佳預測值估計；

5)經步驟3)卡爾曼濾波模塊濾波后的信號反饋至匹配卡爾曼濾波功能的PID控制器，對PID控制參數進行最優化估計，由此產生的卡爾曼濾波伺服信號用于反饋調節步驟1)中匹配卡爾曼濾波功能的受控振蕩器的輸出頻率，從而實現高頻率穩定度的信號輸出。

2.如權利要求1所述基于卡爾曼濾波最優狀態估計的高穩定度原子鐘實現方法，其特征是，步驟2)中，原子鑒頻器發射或吸收的相應頻率的電磁波被稱為共振信號；當原子鑒頻器接收到電磁波信號的頻率與自身頻率完全相同時，共振信號最強；接收到電磁波信號的頻率偏離時則共振信號減弱；根據共振信號的大小及其距離峰值的位置判斷外來電磁波信號頻率是否與原子頻率相符及其偏離的程度。

3.如權利要求1所述基于卡爾曼濾波最優狀態估計的高穩定度原子鐘實現方法，其特征是，步驟3)中，卡爾曼濾波模塊中的濾波算法采用貝爾斯估計、回歸算法或指數平滑預測方法。

4.如權利要求1所述基于卡爾曼濾波最優狀態估計的高穩定度原子鐘實現方法，其特征是，卡爾曼模塊中的濾波算法是一種遞推的線性最小方差估計方法，在上一時刻得出的估計值的基礎上，根據當前時刻的測量值進行線性修正，得出當前時刻的最優狀態估計值；

卡爾曼濾波算法分為預測和更新過程；

預測過程具體為：假設k時刻為當前時刻，按照k-1時刻的預測值來估計k時刻系統的狀態，得出系統在k時刻的預先估計值；

更新過程具體為：在k時刻通過測量儀器測量出系統的當前值，并對其預先估計值進行校正更新，得出k時刻的預測值，并計算下一時刻(k+1時刻)的預先估計值。