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        光抽運(yùn)小銫鐘及其在PNT應(yīng)用

        2018-07-24 00:42:10曹遠(yuǎn)洪
        導(dǎo)航定位與授時(shí) 2018年4期
        關(guān)鍵詞:原子鐘磁選樣機(jī)

        曹遠(yuǎn)洪

        (成都天奧電子股份有限公司,成都 611731)

        0 引言

        定位導(dǎo)航授時(shí)(Positioning,Navigation and Timing,PNT)系統(tǒng)是電子信息技術(shù)的集大成者[1],給電子信息系統(tǒng)提供高精度的位置(坐標(biāo))、導(dǎo)航電文和時(shí)間信息,這些信息的精度主要取決于它內(nèi)部的原子鐘性能[2]。銫原子鐘作為一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn),具有準(zhǔn)確度高、長期性能穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)[3],可以為PNT系統(tǒng)提供高精度的時(shí)間頻率基準(zhǔn)。銫原子鐘最大的優(yōu)勢是幾乎沒有漂移而頻率準(zhǔn)確度高。根據(jù)制備樣品原子的技術(shù)方式不同可以分為磁選態(tài)和光抽運(yùn),根據(jù)滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域要求而實(shí)現(xiàn)可以分為實(shí)驗(yàn)室大銫鐘和工程裝備應(yīng)用的商品小銫鐘。國內(nèi)銫原子鐘包括應(yīng)用于國家時(shí)間頻率基準(zhǔn)的大銫鐘和裝備各工程應(yīng)用領(lǐng)域的小銫鐘,其中大銫鐘的需求量有限主要依靠自行研制,后者需求量較大基本依靠進(jìn)口而受制于人。圍繞國防裝備建設(shè)需求,國內(nèi)相關(guān)單位近年來開展銫原子鐘研究,在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面取得了較大進(jìn)展[4],也實(shí)現(xiàn)了幾款樣機(jī),但受電子倍增器等基礎(chǔ)材料的制約,距離工程化及批量生產(chǎn)還有較大距離。隨著激光技術(shù)進(jìn)步,光抽運(yùn)方案實(shí)現(xiàn)的銫原子鐘的技術(shù)優(yōu)勢凸顯,它可以避開復(fù)雜的束光學(xué)系統(tǒng)和壽命有限的電子倍增器,從而使光抽運(yùn)銫原子鐘代表未來技術(shù)發(fā)展方向,采用光抽運(yùn)方案可加速銫原子鐘國產(chǎn)化[5]。本文介紹的激光抽運(yùn)銫原子鐘即采用了先進(jìn)的光抽運(yùn)方案,先后突破了銫束準(zhǔn)直、激光穩(wěn)頻等關(guān)鍵技術(shù),并相繼實(shí)現(xiàn)光抽運(yùn)銫原子鐘原理樣機(jī)和工程樣機(jī)[6],解決了環(huán)境適應(yīng)性問題,并進(jìn)行了產(chǎn)品小批量生產(chǎn),首次在國際上實(shí)現(xiàn)商品光抽運(yùn)銫原子鐘。激光抽運(yùn)銫原子鐘具有體積小、頻率精度高、性能可靠的特點(diǎn),可作為時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用于PNT系統(tǒng)。

        銫原子鐘自誕生以來,首先就作為國家時(shí)間頻率基準(zhǔn)應(yīng)用,因此大銫鐘則成為原子鐘科學(xué)家們研制的重要任務(wù)。以美國發(fā)展大銫鐘為例,在1949年美國哥倫比亞大學(xué)的拉姆齊提出銫原子鐘制作技術(shù)后,1952年美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)局(National Insti-tute of Standards and Technology,NIST)就推出磁選態(tài)大銫鐘NBS-1到NBS-7,頻率準(zhǔn)確度最高達(dá)到5×10-5,我國計(jì)量院也研制了磁選態(tài)大銫鐘CsII、CsIII也達(dá)到10-13量級(jí)。隨著激光抽運(yùn)技術(shù)和冷原子噴泉技術(shù)的引入,美國NIST實(shí)現(xiàn)了光抽運(yùn)的噴泉原子鐘NIST-F1、NIST-F2[7],我國計(jì)量院也實(shí)現(xiàn)了NIM5[8]。這種原子鐘將銫束管垂直放置,通過激光冷卻將原子減速上拋并在重力作用下原子下落,2次與外場作用得到線寬1Hz原子參考譜線,可實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度達(dá)10-18大銫鐘。這些大銫鐘主要作用是產(chǎn)生高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn),特別是1967年國際

        標(biāo)準(zhǔn)秒采用銫原子鐘振蕩周期定義后,國際上著名實(shí)驗(yàn)室都把研制高精度的大銫鐘作為重要的科研內(nèi)容,英國、德國、加拿大、澳大利亞、韓國、日本、俄羅斯等幾乎主要的大國和強(qiáng)國都在研制自己的大銫鐘。典型的大銫鐘如圖1所示,體積龐大且制造成本高,不利于批量生產(chǎn)和工程裝備應(yīng)用,主要應(yīng)用于國家時(shí)間頻率實(shí)驗(yàn)室。產(chǎn)生的高精度時(shí)間頻率作為國家級(jí)基準(zhǔn)為國家各行業(yè)電子系統(tǒng)提供參考時(shí)鐘,并通過時(shí)頻比對(duì)網(wǎng)絡(luò)將這個(gè)國家基準(zhǔn)傳遞出去參與國際比對(duì),貢獻(xiàn)國際原子時(shí)比重[9],承擔(dān)體現(xiàn)一個(gè)國家在時(shí)間頻率領(lǐng)域的國際義務(wù)和地位。

        與大銫鐘的基本原理相似,小銫鐘采用加熱銫形成熱銫束,為減小體積把銫束管長度從大銫鐘的米級(jí)減小1個(gè)量級(jí),銫束分布等其他邊界效應(yīng)導(dǎo)致其頻率準(zhǔn)確度降低到10-12,但可實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)19寸的商品小銫鐘,如圖2所示。早期的小銫鐘主要采用磁選態(tài)實(shí)現(xiàn),但涉及高溫電真空制造工藝和壽命有限的電子倍增器材料,因而只有美國、瑞士等極少數(shù)國家具有制造能力,代表性的產(chǎn)品是美國HP公司5060、5061A、5071產(chǎn)品,后來被Microsemi公司收購后推出了滿足電信及電網(wǎng)絡(luò)同步的CS4000系列低成本小銫鐘。瑞士Osciquartz公司主要從美國購置銫束管研制生產(chǎn)有系列磁選態(tài)小銫鐘,其代表型號(hào)有OSA3230B。采用激光替代選態(tài)磁鐵和進(jìn)行光檢測,不再有復(fù)雜的束光學(xué)系統(tǒng)和倍增器,因而不再有磁選態(tài)銫鐘的制造困難和材料瓶頸,代表小銫鐘技術(shù)發(fā)展方向[10],瑞士推出的OSC3300和本文重點(diǎn)介紹的TA1000都是光抽運(yùn)小銫鐘。在機(jī)械制造工藝難度降低的同時(shí),也由于激光系統(tǒng)的加入帶來了激光穩(wěn)頻成本的上升和電子技術(shù)難度的增加。

        幾種大小銫鐘區(qū)別,主要體現(xiàn)在作為原子鐘內(nèi)部環(huán)路系統(tǒng)的原子參考譜線的線寬以及由此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的銫鐘輸出標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)的頻率準(zhǔn)確度,具體參數(shù)如表1所示。這也決定了這些銫鐘的應(yīng)用領(lǐng)域和作用與地位:大銫作為實(shí)驗(yàn)室基準(zhǔn),小銫鐘為工程裝備應(yīng)用[11]。

        表1 幾種典型的銫原子鐘關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)對(duì)比分析

        1 光抽運(yùn)小銫鐘基本原理

        銫原子鐘的基本原理是,銫束原子2次經(jīng)過微波腔與9Hz,192Hz,631Hz,770Hz微波發(fā)生所謂的Ramsey共振,其共振信號(hào)作為鐘躍遷為銫原子鐘的頻率參考。在使銫原子基態(tài)上下2個(gè)能級(jí)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)的制備過程中,采用了激光抽運(yùn)方式基態(tài)下能級(jí)原子抽運(yùn)到激發(fā)態(tài),激發(fā)態(tài)因不穩(wěn)定而自發(fā)輻射回到基態(tài)上下能級(jí),經(jīng)反復(fù)抽運(yùn)理論上即可把基態(tài)下能級(jí)原子完全搬運(yùn)到上能級(jí)而實(shí)現(xiàn)了原子布局?jǐn)?shù)反轉(zhuǎn)。另外,為提高對(duì)Ramsey信號(hào)的光檢測效率還對(duì)參與鐘躍遷的原子采用了循環(huán)檢測[12]。由于產(chǎn)生鐘躍遷的微波場矢量與原子運(yùn)行方向垂直因而沒有一級(jí)多普勒效應(yīng),所以銫原子鐘具有非常高的頻率準(zhǔn)確度。

        激光抽運(yùn)小銫鐘TA1000工作原理采用的單激光分束移頻225MHz產(chǎn)生雙光束,進(jìn)行4-4′抽運(yùn),4-5檢測方案[13],激光穩(wěn)頻采用單獨(dú)的銫泡進(jìn)行飽和譜穩(wěn)頻,其工作原理如圖3所示。

        激光抽運(yùn)小銫鐘TA1000主要由三大部分構(gòu)成:銫束管、激光系統(tǒng)和外圍電子線路。其中,1)銫束管用于產(chǎn)生原子束樣品,提供原子束及其與激光場、微波場相互作用的真空和電磁環(huán)境,進(jìn)行原子躍遷檢測等,包括銫爐、微波腔、C場、磁屏蔽及熒光檢測器、離子泵等部件;2)激光系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)原子態(tài)制備以及原子躍遷幾率探測,包括激光光路及激光器外圍電路(電流源與溫控電路、激光光路、激光器鎖頻電路等);3)電路系統(tǒng)包括用于產(chǎn)生激勵(lì)原子躍遷所需的微波倍頻器、本地振蕩器頻率伺服控制電路、銫爐加熱和溫控、C場恒流源、頻標(biāo)電路、電源模塊、顯示控制單元等。在開機(jī)工作時(shí),TA1000首先會(huì)啟動(dòng)電源高壓給離子泵供電使銫束管內(nèi)部進(jìn)入高真空。隨后,對(duì)銫束管內(nèi)銫爐加熱而噴射出銫束原子,同時(shí)激光模塊開始工作實(shí)現(xiàn)飽和譜鎖定。最后,銫束原子與微波作用后發(fā)生Ramsey共振得到原子參考信號(hào),與電子線路閉環(huán)鎖定而實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(hào)輸出。

        2 光抽運(yùn)小銫鐘研制

        本文介紹的光抽運(yùn)小銫鐘TA1000歷經(jīng)10年的研究,從解決關(guān)鍵技術(shù)開始,相繼實(shí)現(xiàn)了原理樣機(jī)和工程樣機(jī)。

        2.1 原理樣機(jī)研制

        在國家重大專項(xiàng)等課題支持下,課題組解決銫束準(zhǔn)直和激光穩(wěn)頻等關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現(xiàn)了TA1000的原理樣機(jī),并進(jìn)行了指標(biāo)測試,如圖4所示。

        測試原理樣機(jī)標(biāo)準(zhǔn)10MHz信號(hào)的Allan方差得到的頻率穩(wěn)定度為7.2×10-12/1s, 2.9×10-12/10s, 7.8×10-13/100s, 3.2×10-13/1000s,該結(jié)果表明輸出信號(hào)具有原子頻標(biāo)特性,技術(shù)總體方案可行,關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)有效,需要進(jìn)行整機(jī)熱設(shè)計(jì)提升中長期頻率穩(wěn)定度。

        2.2 工程樣機(jī)研制及指標(biāo)測試

        在原理樣機(jī)基礎(chǔ)上,針對(duì)衛(wèi)星導(dǎo)航、電信網(wǎng)絡(luò)同步及電力同步等環(huán)境參數(shù)要求,著重解決激光系統(tǒng)精密溫控,并進(jìn)行接口及外觀改進(jìn)設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了如圖5所示的工程樣機(jī),通過與5071A的對(duì)比測試表明TA1000達(dá)到國際同類小銫鐘先進(jìn)水平。

        3 光抽運(yùn)小銫鐘TA1000在PNT系統(tǒng)應(yīng)用

        PNT系統(tǒng)主要在廣域和局域內(nèi)提供定位導(dǎo)航和授時(shí)信息,TA1000可提供精度的時(shí)間頻率信息,可以應(yīng)用于衛(wèi)星導(dǎo)航、長波導(dǎo)航等各類PNT系統(tǒng)。

        3.1 衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用

        光抽運(yùn)小銫鐘TA1000衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的應(yīng)用,主要作為衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)地面監(jiān)測與注入站的守時(shí)原子鐘。這個(gè)應(yīng)用環(huán)境與基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室類似,進(jìn)行了精度環(huán)境溫控和電磁屏蔽設(shè)計(jì),銫鐘可以獲得非常好的性能。將TA1000提交某衛(wèi)星導(dǎo)航地面站,采用原子鐘組產(chǎn)生的頻率標(biāo)準(zhǔn)作為參考進(jìn)行測試,進(jìn)行長時(shí)間測試期待測出TA1000的量子噪聲本底導(dǎo)致的頻率穩(wěn)定度,得到的測試結(jié)果如圖6所示,頻率穩(wěn)定度達(dá)到: 2.06×10-12/10s,7.05×10-12/100s,2.45×10-13/1000s,7.87×10-14/10000s,2.11×10-14/100000s, 4.92×10-15/1000000s。該指標(biāo)可以滿足衛(wèi)星導(dǎo)航地面守時(shí)原子鐘的技術(shù)要求。

        3.2 長波導(dǎo)航系統(tǒng)應(yīng)用

        長波導(dǎo)航是基于地波的局域?qū)Ш较到y(tǒng),因采用長波傳遞導(dǎo)航信息而抗干擾能力強(qiáng),在海上的艦船導(dǎo)航應(yīng)用較多。這類系統(tǒng)屬于早期的導(dǎo)航技術(shù),導(dǎo)航精度比衛(wèi)星導(dǎo)航低,但其陸地中心站采用銫原子鐘作為基準(zhǔn)并與衛(wèi)星導(dǎo)航進(jìn)行融合,可以實(shí)現(xiàn)與衛(wèi)星導(dǎo)航相當(dāng)?shù)膶?dǎo)航精度,因此近年來重新受到重視。圖7所示為美國羅蘭C長波導(dǎo)航及采用銫原子鐘情況[14],對(duì)我國長波導(dǎo)航建設(shè)具有參考價(jià)值。

        3.3 網(wǎng)絡(luò)授時(shí)同步系統(tǒng)應(yīng)用

        電信及電力網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)主要是時(shí)間同步,故需要原子鐘作為網(wǎng)絡(luò)的主時(shí)鐘(Primary Reference Clock,PRC),為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)提供高精度的時(shí)間參考[15-16]。應(yīng)用銫鐘的同步系統(tǒng)如圖8所示,TA1000銫原子鐘作為PRC進(jìn)行測試網(wǎng)絡(luò)同步需要的指標(biāo)。

        在測試時(shí),則參考G.810國際電信聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn),以GNSS衛(wèi)星提供的時(shí)間信號(hào)作為參考,長時(shí)間地采集測量網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間間隔誤差TIE,該指標(biāo)可較直觀反應(yīng)原子鐘相對(duì)應(yīng)GNSS時(shí)間的誤差小于30ns,如圖8所示。以采集獲得的TIE數(shù)據(jù)為基礎(chǔ),還可以分析計(jì)算出MTIE TDEV、TVAR MADEV 等參數(shù)。電力同步網(wǎng)的應(yīng)用方案與數(shù)字通信網(wǎng)類似,因此測試的重要技術(shù)指標(biāo)最終也是測量本地原子鐘與參考標(biāo)準(zhǔn)GNSS的時(shí)差。

        另外,光抽運(yùn)小銫鐘TA1000還可以作為車載移動(dòng)PNT系統(tǒng)的時(shí)鐘參考,為野外訓(xùn)練或臨時(shí)組網(wǎng)提供高精度的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)。

        4 結(jié)論

        在國家重大專項(xiàng)等支持下,較好地解決了銫原子鐘國產(chǎn)化問題,實(shí)現(xiàn)了我國第一款商品銫原子鐘TA1000,可廣泛應(yīng)用于PNT系統(tǒng),提供高精度的時(shí)間頻率信號(hào)。

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