徐金鋒史豐豐李國(guó)俊林勇昕

（北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京 100094）

1 引言

隨著冷原子物理、激光穩(wěn)頻和飛秒光梳等技術(shù)的飛速發(fā)展，光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)（光頻標(biāo)）相對(duì)頻率不確定度和頻率穩(wěn)定度相繼達(dá)到E-18 水平，已遠(yuǎn)超現(xiàn)行秒定義參考銫噴泉鐘［1，2］。國(guó)際計(jì)量委員會(huì)時(shí)間頻率咨詢委員會(huì)（CCTF）針對(duì)基于光頻標(biāo)重新定義秒進(jìn)行了多次討論，并提出了“秒的次級(jí)表示”概念：在基于光頻標(biāo)重新定義秒之前，部分光頻標(biāo)躍遷頻率也作為時(shí)間基準(zhǔn)得到應(yīng)用［3］。中科院精密測(cè)量院利用可搬運(yùn)光鐘測(cè)量了鈣離子光頻標(biāo)的躍遷絕對(duì)頻率，并多次參與國(guó)際計(jì)量局關(guān)于鈣離子光頻標(biāo)躍遷頻率推薦值的計(jì)算，為中國(guó)在新的國(guó)際秒定義制定方面增加了話語(yǔ)權(quán)。另外，在光頻標(biāo)絕對(duì)頻率測(cè)量方面，中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院與華東師范大學(xué)合作，利用中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的銫噴泉鐘和與國(guó)際原子時(shí)之間的比對(duì)鏈路，對(duì)鍶原子光晶格鐘和鐿原子光晶格鐘進(jìn)行了絕對(duì)頻率測(cè)量，其測(cè)量結(jié)果被CCTF 采納，為國(guó)際秒的次級(jí)表示光頻躍遷頻率的定值做出了貢獻(xiàn)［4］。

原子鐘頻率駕馭是時(shí)間產(chǎn)生和保持中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，一個(gè)理想的參考基準(zhǔn)是實(shí)現(xiàn)頻率駕馭的基礎(chǔ)［4］。目前，以銫噴泉鐘、銣噴泉鐘等基準(zhǔn)鐘為參考的原子鐘駕馭技術(shù)比較成熟，光頻標(biāo)在原子時(shí)標(biāo)駕馭方面的應(yīng)用還處于起步探索階段。在基于光頻標(biāo)和氫原子鐘構(gòu)成的時(shí)間系統(tǒng)中，以光頻標(biāo)為時(shí)間基準(zhǔn)進(jìn)行氫原子鐘頻率駕馭，可以獲得具有較高頻率準(zhǔn)確度和頻率穩(wěn)定度的時(shí)間頻率信號(hào)，但也面臨需要解決光頻標(biāo)運(yùn)行率低帶來的測(cè)量數(shù)據(jù)跳變、缺失等問題。因此，利用網(wǎng)絡(luò)通信、虛擬儀器、計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理等技術(shù)，開發(fā)了基于光頻標(biāo)的氫原子鐘頻率駕馭系統(tǒng)軟件，在具有測(cè)量?jī)x器控制、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)、圖形化顯示等傳統(tǒng)功能的同時(shí)，能夠承擔(dān)測(cè)量數(shù)據(jù)異常值較多情況下的氫原子鐘性能評(píng)估、駕馭控制等任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了氫原子鐘頻率駕馭的自動(dòng)控制。

2 硬件系統(tǒng)介紹

以光頻標(biāo)為基準(zhǔn)的時(shí)間系統(tǒng)主要由光頻標(biāo)、氫原子鐘、光梳、頻率計(jì)數(shù)器、計(jì)算機(jī)等設(shè)備組成，基本架構(gòu)如圖1 所示。光頻標(biāo)直接輸出的頻率是參考原子躍遷附近的頻率，為了能夠與微波頻率進(jìn)行比對(duì)，利用光梳實(shí)現(xiàn)將特定光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換到微波頻率范圍［4］。被測(cè)氫原子鐘的10 MHz 頻率信號(hào)輸入到光梳，利用光頻標(biāo)作為參考源，其輸出的躍遷光通過光纖傳輸至拍頻光路，在拍頻光路中與光梳的輸出光進(jìn)行拍頻。拍頻信號(hào)通過探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再通過同軸電纜傳遞至光梳用于反饋，經(jīng)過濾波、鎖相等相關(guān)操作后，光頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度傳遞至光梳輸出的高頻射頻信號(hào)。

實(shí)時(shí)采集處理頻率計(jì)數(shù)器的測(cè)量數(shù)據(jù)，可以對(duì)氫原子鐘頻率準(zhǔn)確度、漂移等特性進(jìn)行精確評(píng)估，進(jìn)而建模計(jì)算得到氫原子鐘的系統(tǒng)變化趨勢(shì)。最終，通過對(duì)氫原子鐘輸出信號(hào)進(jìn)行頻率駕馭，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的實(shí)時(shí)信號(hào)輸出。為了保障氫原子鐘的自由運(yùn)行，不直接對(duì)原子鐘的變化趨勢(shì)進(jìn)行駕馭，而是通過相位微躍器進(jìn)行頻率和相位的改正，消除其系統(tǒng)變化［5］。為驗(yàn)證駕馭效果，駕馭后的信號(hào)MC1 利用比相儀與某標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間信號(hào)MC2 進(jìn)行比對(duì)，并通過分析比相儀的測(cè)量數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)駕馭效果的評(píng)估。

3 軟件功能實(shí)現(xiàn)

3.1 軟件開發(fā)環(huán)境

基于光頻標(biāo)的氫原子鐘頻率駕馭系統(tǒng)軟件運(yùn)行于Windows 平臺(tái)，要求具有儀器設(shè)備控制和數(shù)據(jù)處理分析兩項(xiàng)基本功能?；谙到y(tǒng)配置的頻率計(jì)數(shù)器、相位微躍器、比相儀等設(shè)備均支持網(wǎng)絡(luò)通信的特點(diǎn)，軟件開發(fā)采用模塊化設(shè)計(jì)思路，把各種軟件功能對(duì)象化并進(jìn)行封裝［6］。軟件采用基于Visual Studio 2015 平臺(tái)的VC ＋＋語(yǔ)言，與操作系統(tǒng)和硬件平臺(tái)的兼容性、交互性較好，能夠兼顧軟件運(yùn)行效率和接口統(tǒng)一。由于系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)量較大，數(shù)據(jù)庫(kù)選擇Oracle 11g，軟件通過Oracle 客戶端能夠方便地進(jìn)行前后臺(tái)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、查詢等操作。另外，軟件利用可互換虛擬儀器驅(qū)動(dòng)對(duì)53230A 型頻率計(jì)數(shù)器等通用設(shè)備進(jìn)行控制，開發(fā)環(huán)境需要預(yù)先安裝相應(yīng)的IO 驅(qū)動(dòng)程序。

3.2 軟件流程設(shè)計(jì)

為了滿足不同的測(cè)量與控制的需求，系統(tǒng)軟件主程序分為全自動(dòng)模式和人工參與模式。全自動(dòng)模式下，用戶在配置文件中預(yù)先設(shè)置儀器IP 地址或者Visa 地址、數(shù)據(jù)取樣間隔、計(jì)算周期等參數(shù)信息，軟件啟動(dòng)后全程自動(dòng)運(yùn)行，完成測(cè)量數(shù)據(jù)讀取、處理及結(jié)果存儲(chǔ)。人工參與模式下，用戶可以任意選擇數(shù)據(jù)取樣間隔、計(jì)算周期進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并可手動(dòng)對(duì)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。軟件流程圖如圖2 所示。

圖2 軟件執(zhí)行流程圖Fig.2 Flow chart of program execution

3.3 軟件主要功能模塊

3.3.1 參數(shù)配置模塊

為增強(qiáng)軟件的通用性，參數(shù)配置模塊通過文件方式對(duì)軟件自動(dòng)運(yùn)行的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化配置。在系統(tǒng)總體框架不變的情況下，用戶可以通過編輯配置文件，改變測(cè)量?jī)x器地址、原子鐘編號(hào)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)名稱、駕馭生效時(shí)刻等參數(shù)，以適應(yīng)系統(tǒng)硬件設(shè)備更換和運(yùn)行控制參數(shù)調(diào)整。正確設(shè)置參數(shù)后，軟件啟動(dòng)時(shí)能夠自動(dòng)加載配置文件，建立與設(shè)備的通訊連接，開啟自動(dòng)化運(yùn)行。

3.3.2 數(shù)據(jù)采集模塊

數(shù)據(jù)采集模塊主要負(fù)責(zé)通過網(wǎng)絡(luò)與設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，鑒于設(shè)備種類不同、協(xié)議不同，針對(duì)不同協(xié)議的設(shè)備采用不同的處理機(jī)制：

1）針對(duì)通過TCP／UDP 協(xié)議主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)的設(shè)備，軟件通過設(shè)置設(shè)備的IP 和端口號(hào)，開啟端口監(jiān)聽的方式，接收設(shè)備上報(bào)到特定端口的數(shù)據(jù)；成功接收數(shù)據(jù)后，再通過匹配監(jiān)聽的設(shè)備IP 和端口號(hào)，獲取設(shè)備解析協(xié)議，對(duì)設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)；

2）針對(duì)通過可互換虛擬儀器驅(qū)動(dòng)獲取數(shù)據(jù)的設(shè)備，軟件通過設(shè)置設(shè)備IP 地址或者Visa 地址，啟動(dòng)定時(shí)查詢?nèi)蝿?wù)獲取設(shè)備數(shù)據(jù)。成功接收數(shù)據(jù)后，再通過匹配監(jiān)聽的設(shè)備地址信息，獲取設(shè)備解析協(xié)議，對(duì)設(shè)備上報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行解析，并按照時(shí)間順序?qū)?shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)。在編程期間，對(duì)可互換虛擬儀器設(shè)備的訪問是通過其IP 地址字符串實(shí)現(xiàn)，軟件支持套接字和VXI-11 兩種連接協(xié)議，為進(jìn)一步提高性能，優(yōu)先選擇使用套接字協(xié)議。以頻率計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)采集為例，通過軟件界面可以實(shí)時(shí)顯示拍頻數(shù)據(jù)，如圖3 所示。

圖3 頻率計(jì)數(shù)器數(shù)據(jù)采集界面圖Fig.3 The interface of frequency counter data acquisition

3.3.3 駕馭控制模塊

氫原子鐘具備較好的短期頻率穩(wěn)定性和低噪聲性，但同時(shí)伴有長(zhǎng)期漂移，因此更好駕馭氫原子鐘的重點(diǎn)在于如何扣除長(zhǎng)期漂移［7］，一般采用二次多項(xiàng)式模型來實(shí)現(xiàn)。鑒于光頻標(biāo)的穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度都優(yōu)于氫原子鐘，利用光頻標(biāo)駕馭自由運(yùn)行的氫原子鐘，將其輸出信號(hào)頻率在一定誤差范圍內(nèi)向光頻標(biāo)靠攏，可以得到較高準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度的微波信號(hào)。駕馭控制過程中，由于受到光頻標(biāo)運(yùn)行率、氫原子鐘性能或測(cè)量設(shè)備的影響，原始采集的測(cè)量數(shù)據(jù)不可避免地存在粗差、缺失和跳變等異常，需要通過控制算法對(duì)數(shù)據(jù)的異常點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，確保數(shù)據(jù)的正確完好，從而避免受駕馭信號(hào)穩(wěn)定度的降低［8，9］。數(shù)據(jù)異常值的處理主要采用中位差（Median Absolute Deviation，MAD）方法：將頻率數(shù)據(jù)yi的絕對(duì)值與頻率數(shù)據(jù)序列的中數(shù)（Median）m和MAD 的若干倍之和相比較，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)滿足式（1）時(shí)，就認(rèn)為數(shù)據(jù)點(diǎn)yi是異常的粗差點(diǎn)。

式中：n——整數(shù)倍數(shù)，根據(jù)系統(tǒng)工作需要，其取值設(shè)為5；median——求取一組數(shù)據(jù)序列的中數(shù)。

與常規(guī)的MAD 方法不同，軟件探測(cè)出異常數(shù)據(jù)后，將其對(duì)應(yīng)的頻率數(shù)據(jù)設(shè)為空，不對(duì)數(shù)據(jù)序列進(jìn)行插值處理，從而避免了引入新的數(shù)據(jù)造成原始數(shù)據(jù)的失真。數(shù)據(jù)序列剔除粗差后，將其轉(zhuǎn)化為相位數(shù)據(jù)進(jìn)行原子鐘頻率偏差擬合預(yù)報(bào)［10］。駕馭控制界面如圖4 所示，軟件每日利用剔除粗差的拍頻數(shù)據(jù)計(jì)算出氫原子鐘與光頻標(biāo)的相對(duì)頻率偏差，進(jìn)而控制相位微躍器的輸出頻率。

圖4 氫原子鐘駕馭控制界面圖Fig.4 The interface of hydrogen maser's frequency steering

3.3.4 分析評(píng)估模塊

評(píng)估模塊使用Alglib 數(shù)值分析和數(shù)據(jù)挖掘函數(shù)庫(kù)，能夠高效地進(jìn)行插值、最小二乘擬合等運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)氫原子鐘運(yùn)行特性的評(píng)估，評(píng)估結(jié)果以圖形形式在軟件界面呈現(xiàn)，生成的圖形可以保存為圖片文件。為展示軟件利用最小二乘擬合評(píng)估氫原子鐘準(zhǔn)確度和漂移率的效果，自由運(yùn)行氫原子鐘clock1相對(duì)于參考時(shí)標(biāo)MC2 的鐘差和殘差曲線如圖5 所示，取樣區(qū)間1 個(gè)月，取樣間隔1 min。駕馭后的信號(hào)MC1 相對(duì)于參考時(shí)標(biāo)MC2 的頻率穩(wěn)定度結(jié)果如圖6 所示，取樣區(qū)間1 個(gè)月。

圖5 clock1 相對(duì)于MC2 鐘差曲線圖Fig.5 The curve of clock bias between clock1 and MC2

圖6 MC1 相對(duì)于MC2 頻率穩(wěn)定度結(jié)果圖Fig.6 The frequency stability results of MC1 in reference to MC2

3.3.5 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊用于存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理結(jié)果。針對(duì)系統(tǒng)中的Oracle 數(shù)據(jù)庫(kù)，軟件采用ADO方式建立應(yīng)用程序?qū)咏涌凇DO 庫(kù)是一組組件對(duì)象模型（COM）動(dòng)態(tài)庫(kù)，封裝了數(shù)據(jù)庫(kù)底層接口，以統(tǒng)一的方式訪問存儲(chǔ)在不同信息源中的數(shù)據(jù)，其優(yōu)點(diǎn)是易于使用、速度快、內(nèi)存支出少和磁盤遺跡小，能夠?yàn)檐浖岸撕蛿?shù)據(jù)源之間提供輕量、高性能的接口，從而減少網(wǎng)絡(luò)流量。軟件在調(diào)用ADO 前，通過引入ADO 庫(kù)定義文件，初始化OLE／COM 庫(kù)環(huán)境，并通過Connection 對(duì)象執(zhí)行SQL 命令，或利用Recordset 對(duì)象取得結(jié)果記錄集進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、處理。通過數(shù)據(jù)查詢界面可以高效地查詢數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的光梳拍頻數(shù)據(jù)，如圖7 所示。

圖7 氫原子鐘頻率數(shù)據(jù)查詢界面圖Fig.7 The interface of hydrogen maser's data query

4 軟件測(cè)試與分析

基于光頻標(biāo)的氫原子鐘頻率駕馭系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和開發(fā)完成后，通過軟件和硬件的配合，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的自動(dòng)化控制和測(cè)量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集處理，降低了人工處理數(shù)據(jù)造成的失誤率，減輕了系統(tǒng)運(yùn)維人員的工作強(qiáng)度。2023 年7 月～9 月，基于硬件系統(tǒng)進(jìn)行光頻標(biāo)駕馭氫原子鐘測(cè)試驗(yàn)證，軟件每日自動(dòng)計(jì)算氫原子鐘的頻率偏差值，將計(jì)算得到的頻率偏差值發(fā)送到相位微躍器上，可實(shí)現(xiàn)對(duì)氫原子鐘的頻率駕馭。通過與外部UTC 比對(duì)進(jìn)行駕馭效果的驗(yàn)證，兩個(gè)月時(shí)間內(nèi)光頻標(biāo)的有效運(yùn)行率為80%，氫原子鐘駕馭后的信號(hào)MC1 與UTC 的時(shí)差絕對(duì)值小于2.5 ns，如圖8 所示。時(shí)差值波動(dòng)的原因主要是氫原子鐘頻率駕馭量的變化和比對(duì)鏈路噪聲引入的不確定度。同時(shí)，MC1 與UTC 之間存在頻率偏差，反映出當(dāng)前的駕馭系統(tǒng)還存在一定的系統(tǒng)偏差，需要在后續(xù)工作中進(jìn)行優(yōu)化。

圖8 MC1 與UTC 的時(shí)差結(jié)果圖Fig.8 The time difference between MC1 and UTC

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)光頻標(biāo)和氫原子鐘構(gòu)成的時(shí)間系統(tǒng)，開發(fā)了基于光頻標(biāo)的氫原子鐘頻率駕馭系統(tǒng)軟件，對(duì)其測(cè)量?jī)x器控制、數(shù)據(jù)采集分析、原子鐘評(píng)估等功能進(jìn)行了規(guī)劃設(shè)計(jì)。軟件采用VC ＋＋語(yǔ)言，基于Visual Studio 2015 平臺(tái)，界面簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)單，具備良好的可移植性和可擴(kuò)展性。經(jīng)過測(cè)試驗(yàn)證，軟件運(yùn)行穩(wěn)定，在光頻標(biāo)的有效運(yùn)行率為80%的條件下，氫原子鐘駕馭后產(chǎn)生的時(shí)間信號(hào)與UTC 的同步精度小于2.5 ns。在現(xiàn)有軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)上，未來將研究改進(jìn)光梳拍頻數(shù)據(jù)有效性的篩選策略和測(cè)量噪聲分析方法，進(jìn)一步提升光頻標(biāo)評(píng)估氫原子鐘特性的準(zhǔn)確性。