[發(fā)明專利]一種基于卡爾曼濾波控溫控頻的銣原子小光鐘及實(shí)現(xiàn)方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110247277.4
• 申請(qǐng)日: 2021-03-05
• 公開（公告）號(hào): CN113075873B
• 公開（公告）日: 2022-04-12
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 陳景標(biāo);張同云
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 溫州激光與光電子協(xié)同創(chuàng)新中心;北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G04F5/14
• 分類號(hào): G04F5/14
• 代理公司: 北京萬象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 黃鳳茹

本發(fā)明公布了一種基于卡爾曼濾波控溫控頻的銣原子小光鐘及實(shí)現(xiàn)方法，包括：一維卡爾曼濾波模塊、二維卡爾曼濾波模塊、溫度伺服控制器、頻率伺服控制器、帶有卡爾曼濾波功能接口的控溫模塊和帶有卡爾曼濾波功能接口的控頻模塊；利用溫度伺服控制器和卡爾曼濾波器對(duì)激光器和原子氣室實(shí)現(xiàn)閉環(huán)溫度控制，并達(dá)到控溫參數(shù)自調(diào)整；成數(shù)量級(jí)地減弱過程噪聲和測(cè)量噪聲對(duì)控制參數(shù)的影響；同時(shí)利用卡爾曼濾波在含有噪聲的信號(hào)中動(dòng)態(tài)估計(jì)頻率測(cè)量系統(tǒng)的狀態(tài)，在短時(shí)間內(nèi)將銣原子鐘的噪聲校正到更低的噪聲基準(zhǔn)，進(jìn)一步提高激光的頻率穩(wěn)定度。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于原子鐘與頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)領(lǐng)域，涉及控溫控頻的原子鐘技術(shù)，具體涉及一種基于卡爾曼濾波控溫控頻的銣原子小光鐘及實(shí)現(xiàn)方法。

背景技術(shù)

時(shí)間頻率測(cè)量精度的穩(wěn)步提升促進(jìn)了超精密光譜、天文觀測(cè)、深空探測(cè)及物理基本常數(shù)測(cè)量等高精度時(shí)間測(cè)量方面的應(yīng)用。同時(shí)，對(duì)高速通信、導(dǎo)航定位、大地測(cè)量及國防軍事等領(lǐng)域影響廣泛。目前，原子鐘是目前最準(zhǔn)確的時(shí)間頻率設(shè)備，其中最好的光鐘頻率穩(wěn)定度已經(jīng)達(dá)到10^-19量級(jí)，國際上應(yīng)用的原子鐘多為銫、氫和銣原子鐘，其中銣原子鐘的應(yīng)用最為廣泛。

銣原子小光鐘系統(tǒng)大致分為物理系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)，物理系統(tǒng)是銣原子小光鐘的核心部件，主要由半導(dǎo)體窄線寬激光器、銣原子氣室和光電探測(cè)器組成；其中半導(dǎo)體窄線寬激光器在系統(tǒng)中是將電子轉(zhuǎn)換為光子的器件，由于形成窄線寬激光器的腔內(nèi)存在損耗，半導(dǎo)體窄線寬激光器在工作時(shí)溫度會(huì)有所升高，導(dǎo)致激光頻率有所變化，影響激光波長的穩(wěn)定性；同時(shí)，半導(dǎo)體窄線寬激光器長期工作在高溫下會(huì)影響使用壽命。原子氣室為銣原子小光鐘提供量子參考，精確的溫度控制可以保證足夠多的原子與激光相互作用，如果原子氣室和冷指的溫度相差過大，原子過多凝結(jié)在冷指端口，影響與光子共振的原子數(shù)量；另外在靠近原子氣室通光孔位置的精確控溫可以進(jìn)一步精密監(jiān)測(cè)原子數(shù)的利用情況，避免原子凝結(jié)在通光孔降低與原子作用的光子數(shù)量。

現(xiàn)有的PID控溫技術(shù)主要是將設(shè)置值和測(cè)量值的偏差值的比例、積分和微分的線性組合構(gòu)成控制器，對(duì)控溫對(duì)象進(jìn)行控制；由于溫度監(jiān)測(cè)過程中，由于熱敏電阻、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)之間的電纜及器件的響應(yīng)帶寬都會(huì)產(chǎn)生噪聲，使得測(cè)量得到的溫度數(shù)據(jù)存在噪聲；同時(shí)在原子頻標(biāo)的高精密測(cè)量中對(duì)溫度控制精度越來越高，尤其是在有干擾環(huán)境的系統(tǒng)中，由于PID控溫技術(shù)的局限性，控制器的參數(shù)不能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)來適應(yīng)環(huán)境的要求，不能實(shí)現(xiàn)高精度的控溫效果，進(jìn)一步限制銣原子小光鐘中長期的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)。

目前原子鐘研究中，例如在《量子頻標(biāo)原理》第四章節(jié)的頻率控制原理中介紹的伺服環(huán)路控制器的信號(hào)直接反饋給受控晶振，也就是直接輸出給激光電流、PZT或用于調(diào)制激光頻率的AOM的驅(qū)動(dòng)，反饋的信號(hào)中包含射頻放大噪聲及相檢的模擬線路噪聲，沒有實(shí)現(xiàn)對(duì)噪聲的預(yù)測(cè)和處理能力，同時(shí)外界物理環(huán)境噪聲的影響進(jìn)一步限制了銣原子小光鐘的頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的進(jìn)一步提升。

對(duì)于卡爾曼濾波的部分，卡爾曼的狀態(tài)方程及測(cè)量方程表達(dá)式為：

X(k+1)＝ΦX(k)+W(k)

Y(k)＝H X(k)+V(k)

其中，X(k)為系統(tǒng)的狀態(tài)信號(hào)，Y(k)為系統(tǒng)的測(cè)量信號(hào)，Φ為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣，H為觀測(cè)矩陣,W(k)為系統(tǒng)噪聲，相應(yīng)的方差陣為Q，V(k)為觀測(cè)噪聲相應(yīng)的方差陣為R。

卡爾曼濾波的過程可以通過公式推導(dǎo)來表示，公式(1)為由k時(shí)刻的最優(yōu)頻率X^(k|k)去預(yù)測(cè)k+1時(shí)刻系統(tǒng)的狀態(tài)，式(2)為由上一次的誤差協(xié)方差P(k|k)和過程噪聲Q預(yù)測(cè)新的誤差來推導(dǎo)的預(yù)測(cè)協(xié)方差，式(3)為k+1時(shí)刻的卡爾曼增益，式(4)為利用測(cè)量值更新k+1時(shí)刻最優(yōu)估計(jì)值，式(5)為更新的k+1時(shí)刻誤差協(xié)方差。

P(k+1|k)＝ΦP(k|k)Φ^T+ΓQΓ^T 式(2)