[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

本發明公布了一種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，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；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，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。

技術領域

本發明涉及微波與光頻原子鐘及量子頻率標準技術領域，尤其涉及一種基于卡爾曼濾波最優狀態估計的高穩定度原子鐘及其實現方法。

背景技術

原子鐘是迄今為止能夠輸出最準確最穩定頻率信號的科學設備，目前性能最好的原子鐘已經能夠實現10^-19量級的頻率變化測量。得益于原子鐘的發展，很多與時頻相關的領域，如：全球衛星導航定位系統、高速信息網絡時頻同步等都能夠看到原子鐘的身影，并且，高性能的原子鐘也正被逐漸應用到傳統技術手段所不能夠實現的領域，這些應用毫無疑問的凸顯了高性能原子鐘具有巨大的應用前景和潛力。

原子鐘根據本地振蕩器輸出信號主頻率的不同，可以分為微波原子鐘和光頻原子鐘；根據工作原理的不同，其又可以分為被動型原子鐘和主動型原子鐘。不同種類的原子鐘工作原理和輸出信號特點都不相同，但其作為一種頻率發生設備，最終目的就是為了提供輸出精確穩定的頻率信號。目前原子鐘普遍采用PID(比例proportion、積分integral、微分differential)控制的方法將鐘信號頻率與量子參考標準頻率相比較，用得到的本振信號與原子躍遷頻率偏差來執行反饋調節控制，以實現高頻率穩定度的鐘信號輸出。對原子鐘內部關鍵部件的高精度溫度控制亦是如此，以PID控溫最為常見。

但是，PID控制方法不可避免的會存在一定的缺陷：對于目標參量的控制總是存在一定的剩余偏差，從而導致原子鐘系統的輸出頻率及被控部件的溫度也隨之相關聯而波動；原子鐘系統時刻存在著外界環境干擾、測量噪聲等影響，而PID控制器卻無法根據系統的變化來自動調整控制參數。這些缺陷不僅限制了原子鐘頻率穩定度指標的提高，而且對于一些對溫度極其敏感、控溫精度需求極高的原子鐘，如：氣室型原子鐘來說，溫度會直接影響原子的躍遷頻率，導致隨著采樣時間的累積，中長期系統的頻率以斜率τ發生漂移。并且，原子氣室處較大的溫度波動會使原子數密度波動大，降低了譜線的信噪比，同時還會使熱原子間的碰撞頻移更大，同樣限制了系統頻率穩定度的進一步提高。因此，對原子鐘系統進行精確控溫控頻至關重要。目前國內外僅報道了一項利用卡爾曼濾波算法提高鐘差預測精度的實例[專利號：CN201811561770.8]，而將卡爾曼濾波技術運用到原子鐘內部的實例，文獻和專利均未見應用報道。

發明內容

本發明針對原子鐘現有控溫控頻技術中所存在的上述缺陷和不足，于國際上首次創新地提出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。通過將卡爾曼濾波算法與現有傳統的PID控制技術相結合，利用卡爾曼濾波器對信號的良好濾波效果，把濾波后的信號反饋給PID控制器，以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，使控制系統能夠很快地趨于平穩狀態，由此大幅度地提高原子鐘系統的頻率穩定度。此外，對于對溫度極其敏感、控溫精度需求極高的原子鐘，如：氣室型原子鐘，結合卡爾曼濾波技術進行控溫可以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，由此極大地提高原子鐘系統的中長期穩定度。本發明的實現，可以很好地解決原子鐘現有控溫控頻技術中存在剩余控制偏差以及無法避免過程噪聲和測量噪聲等外界因素影響，導致控制效果差從而限制原子鐘頻率穩定度指標進一步提高的問題。

本發明的技術方案是：