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高精度频率综合与传递关键技术

赵文宇  
【摘要】:时间频率是人类测量精度最高的物理量,其测量精度比其他物理量的直接测量精度高4个数量级以上。因此,许多前沿的精密物理测量和基本物理规律验证往往最终通过频率测量的形式来实现;此外,时间频率技术还广泛应用到导航、卫星定轨、通讯、国防、工业生产等方面。总之,时间频率技术代表了科技前沿,其发展不仅直接推动人类对自然界的认识水平,而且间接推动了很多应用领域发展,对人类生活产生了深远的影响,其技术进步意义重大。时间频率技术包括频率产生、保持、传递和测量等诸多方面,其中高稳定频率信号产生技术是所有技术的前提条件。原子钟就是产生标准频率的精密设备,它以原子跃迁谱线的能量为基准产生高稳定的单一频率信号,一般通过将本地频率源锁定到原子跃迁谱线的方式来实现。由于原子跃迁频率、本地频率源和应用系统所需频率一般不相同,因此低噪声频率综合技术就成为了原子钟研究和应用的关键。对于基准冷原子铯喷泉钟,频率综合的目的是将5 MHz的本地频率源的频率变换为9.192 GHz铯原子超精细跃迁频率。为减小本地频率源稳定度和噪声引起原子中稳定度水平恶化(Dick效应),频率综合链路的附加噪声水平需要远低于本地振荡源的噪声水平。对于前沿的锶原子光钟,其本地频率源与原子跃迁的频率相同,处于光频段;然而,在光钟研制过程和应用,需要将激光频率变换到微波和射频段;这种连接光学到微波的频率综合器也称为飞秒光梳,是频率完全受控的飞秒激光器。时间频率技术中的传递环节是时频应用的前提,目的是将本地频率信号精准的在远端复现。传统的时间频率传递方法和技术都以空间为传输媒介,比如卫星的双向比对,其天稳定度指标最高约为10-15,而目前,喷泉钟的天稳定度达到10-16,甚至光钟的天稳达到了10-18,因此难以传统时间频率传递方法不能满足未来高精度时频传递需求,而光纤频率传输是适应以上高精度要求的解决方案。本论文结合国家授时中心重点项目“新一代时间频率系统”建设需求以及“一三五”科技发展目标,着眼于微波原子钟、光学原子钟涉及的频率综合与传递技术的设计和研究。围绕原子钟的频率合成展开理论和实验研究,论文的主要工作和创新点如下:(1)深入研究了用于铯原子喷泉钟的5MHz-9.2GH频率综合器的设计和研制工作。重点对铯原子喷泉钟频率综合器的设计方案、组成结构以及性能测试进行了理论及实验研究。设计方案采用锁相环与直接数字频率合成结合(PLL+DDS)的方法,综合PLL低相位噪声以及DDS的高速捷变的频率变换和分辨率高的特点。研制过程中对频率综合器的各个组成部分以及最终输出进行了设计和测试,它输出的9.2 GHz频率信号经测试相位噪声可以达到-82d B[Rad2/Hz]@1Hz。通过计算得到该相位噪声对喷泉钟秒级稳定度的影响约为2.2×10-15,相比于其它的噪声影响,这个量级的扰动可以忽略。最后原子钟各部分运行联机闭环操作,经测试得到初步的稳定度为3.5×10-13/τ-1/2。(2)研究了用于星载的新型CPT maser原子钟及POP maser原子钟的频率综合器以及相关电路的设计、研制以及改进技术,分别实现了6.8GHz和3.4GHz频率综合器、6.8GHz外差接收机以及数字伺服控制电路,从指标和体积功耗上都满足了实验要求,并给出原子钟稳定度测试结果。(3)研制了用于锶原子光钟飞秒光梳的掺铒光纤飞秒脉冲激光器。实现了以激光器非线性偏振旋转锁模原理为基础的实验室装置,和目前Menlo system公司的FC1500飞秒光梳的性能进行了对比,我们的装置性能在强度噪声以及自由运转稳定度等关键指标上均优于商用产品,同时对我们所研制激光器在时域脉冲和频域光谱随泵浦激光功率的变化进行了分析,得出激光器的最佳工作参数范围;另外,使用“脉冲跟踪”方法对激光的偏振旋转锁模、光脉冲形成过程进行了数值仿真计算,对实验的结果分析和装置改进都有很大帮助。(4)进行了50公里光纤传递9.2GHz超稳微波频率信号的实验。比较了光学补偿,机械补偿以及电子补偿等光纤相位稳定方法,实验最终采用了相位共轭稳相的方法,测量往返传递信号的相位变化,实现了光纤微波频率传递链路噪声的实时补偿,大幅提高传输频率信号的稳定度。在实验室环境下经过9天的连续测试,测得良好的自由运转时频率传递的稳定度。


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