原子钟运行可靠性监测方法和装置

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1.本发明涉及原子钟运行可靠性监测技术领域，具体地说，涉及原子钟运行可靠性监测方法和装置。

背景技术：

2.在科研或者实验中，对时间的要求非常苛刻，一般的时钟无法满足科研或者实验对精度的需求，通常会使用到原子钟。
3.原子钟利用原子物理学的原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的，这里电磁能量是不连续的，当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波，这种电磁波特征频率是不连续的，即共振频率。
4.但原子钟在开机前不能够对其整个过程的状态进行评估，而是通过人为的去检测和判断，非常的浪费开机时间，并使运行的可靠性降低。

技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供原子钟运行可靠性监测方法和装置，以解决上述背景技术中提出的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供原子钟运行可靠性监测装置，包括中央处理器、评估系统以及状态指示模块；评估系统与中央处理器连接；指示模块与中央处理器的输出端连接，其中：
7.评估系统包括复现性能评估模块、准确度性能评估模块、原子束性能评估模块、开机性能评估模块和物理系统作用时间评估模块；复现性能评估模块的输出端与准确度性能评估模块连接；准确度性能评估模块的输出端与原子束性能评估模块连接；原子束性能评估模块的输出端与开机性能评估模块；开机性能评估模块的输出端与物理系统作用时间评估模块连接，且评估系统包括复现性能评估模块、准确度性能评估模块、原子束性能评估模块、开机性能评估模块和物理系统作用时间评估模块均与中央处理器双向连接。
8.作为本技术方案的进一步改进，所述复现性能评估模块包括隔离放大器、多位计数模块和磁场电流补偿模块；所述中央处理器还包括寄存器，其中：
9.中央处理器的输入端与隔离放大器连接，以通过隔离放大器向外输出信号；中央处理器的输出端与磁场电流补偿模块和多位计数模块连接；多位计数模块的输出端与寄存器连接；寄存器与中央处理器双向连接；另外隔离放大器的输出端与多位计数模块连接；隔离放大器的输入端还与原子钟连接；原子钟的输入端与磁场电流补偿模块连接。
10.作为本技术方案的进一步改进，所述原子束性能评估模块包括共振吸收泡和光电检测模块；光电检测模块的输入端与中央处理器连接；中央处理器的输出端与共振吸收泡连接并形成传统探测电路；共振吸收泡用于吸收光源，振吸收泡还包括滤光泡，从而通过填充有滤光泡对光源进行滤光，然后再将滤光后的光源传输至含有和缓冲气体的共
振吸收泡内。
11.作为本技术方案的进一步改进，所述准确度性能评估模块包括压控晶振模块、dds和鉴频环路；所述压控晶振模块与dds和中央处理器连接，分别形成外部时钟1和外部时钟2信号；中央处理器的输入端与鉴频环路连接；鉴频环路的输入端与dds连接。
12.作为本技术方案的进一步改进，所述中央处理器与dds内部的fsk调制信号具有同频同相的同步鉴相信号以及鉴频信号，并进行同步鉴相处理，得到相应的压控信号作用于压控晶振模块，从而改变压控晶振信号的输出，进而改变dds外部参考时钟的频率，使整个系统完成闭环。
13.本发明目的之二在于，提供了原子钟运行可靠性监测方法，包括上述中任意一项所述的原子钟运行可靠性监测装置，包括如下方法步骤：
14.s1.1、系统重启；
15.s1.2、复现性能评估；
16.s1.3、准确性能评估；
17.s1.4、原子束性能评估；
18.s1.5、对评估进行显示。
19.作为本技术方案的进一步改进，所述s1.2中复现性能评估的评估步骤如下：
20.s2.1、多位计数模块将f0频率计数值送至寄存器；
21.s2.2、中央处理器完成对寄存器计数值访问；
22.s2.3、中央处理器在获得频率计数值后进行内部处理，并改变原子钟磁场电流补偿模块输出。
23.作为本技术方案的进一步改进，所述s1.4中原子束性能评估的评估步骤如下：
24.s3.1、利用充有气体的光谱灯向共振吸收泡发出光；
25.s3.2、滤光泡对光谱灯发出的光进行过滤；
26.s3.3、共振吸收泡对光进行共振吸收，共振吸收泡通过外加的磁场使泡内的原子发生分裂，从而使泡内原子发生基态磁共振跃迁提供能量，并将形成的透射光发送至光电检测模块，以将光信号转化为电信号。
27.作为本技术方案的进一步改进，所述s3.3中光电检测模块利用a/d采样器获取原子的吸收曲线和微商曲线。
28.作为本技术方案的进一步改进，所述s1.4中原子束性能评估的电感应性能评估公式：
[0029][0030]
其中，k为微商曲线的斜率；τ为原子的作用时间；n为原子基态能级；s为原子辐射能量；s为吸收曲线的斜率。
[0031]
与现有技术相比，本发明的有益效果：通过复现性能评估、准确性能评估以及原子束性能评估单元对原子钟运行开机前进行监测，避免出现异常开机的现象，提高运行的可靠性，并结合状态指示模块对原子钟的运行状态进行显示。
附图说明
[0032]
图1为本发明的评估系统模块框图；
[0033]
图2为本发明的复现性能评估模块框图；
[0034]
图3为本发明的原子束性能评估模块框图；
[0035]
图4为本发明的准确性能评估模块框图；
[0036]
图5为本发明的压控晶振信号输出电路图；
[0037]
图6为本发明的吸收曲线和微商曲线示意图；
[0038]
图7为本发明的能级示意图；
[0039]
图8为本发明的原子钟运行可靠性监测方法步骤流程图；
[0040]
图9为本发明的复现性能评估步骤流程图；
[0041]
图10为本发明的原子束性能评估步骤流程图。
具体实施方式
[0042]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]
请参阅图1
‑
图10，本发明提供技术方案：
[0044]
本发明提供原子钟运行可靠性监测方法和装置，包括中央处理器、评估系统以及状态指示模块；评估系统与中央处理器连接；指示模块与中央处理器的输出端连接，以对原子钟的运行状态进行显示，其中：
[0045]
评估系统包括复现性能评估模块、准确度性能评估模块、原子束性能评估模块、开机性能评估模块和物理系统作用时间评估模块；复现性能评估模块的输出端与准确度性能评估模块连接；准确度性能评估模块的输出端与原子束性能评估模块连接；原子束性能评估模块的输出端与开机性能评估模块；开机性能评估模块的输出端与物理系统作用时间评估模块连接，且评估系统包括复现性能评估模块、准确度性能评估模块、原子束性能评估模块、开机性能评估模块和物理系统作用时间评估模块均与中央处理器双向连接。
[0046]
此外，复现性能评估模块包括隔离放大器、多位计数模块和磁场电流补偿模块；中央处理器还包括寄存器，其中：
[0047]
中央处理器的输入端与隔离放大器连接，以通过隔离放大器向外输出信号；其输出方式是通过对原子钟送来的频率信号进行隔离、放大后实现多路输出，其中：
[0048]
一路送至中央处理器，用作中央处理器的外部时基以同步时序功能；另一路送至多位计数模块进行频率计数。
[0049]
中央处理器的输出端与磁场电流补偿模块和多位计数模块连接；多位计数模块的输出端与寄存器连接；寄存器与中央处理器双向连接；另外隔离放大器的输出端与多位计数模块连接；隔离放大器的输入端还与原子钟连接；原子钟的输入端与磁场电流补偿模块连接，多位计数模块接收来自于不间断高稳时钟源信号，用作内部计数时基参考，同时来自于隔离放大器的频率信号在处理器“计数使能”命令字访问下参与频率计数，并将频率计数值传递至寄存器，处理器通过访问寄存器获得相应的频率计数值，并进行处理。
[0050]
处理器在获得相应的频率计数值信息并处理后，通过磁场电流补偿模块实现原子钟输出信号频率值的改变，从而实现了对原子钟复现性能的评估。
[0051]
进一步的，原子束性能评估模块包括共振吸收泡和光电检测模块；光电检测模块的输入端与中央处理器连接；中央处理器的输出端与共振吸收泡连接并形成传统探测电路；共振吸收泡用于吸收光源，振吸收泡还包括滤光泡，从而通过填充有滤光泡对光源进行滤光，然后再将滤光后的光源传输至含有和缓冲气体的共振吸收泡内。
[0052]
具体的，准确度性能评估模块包括压控晶振模块、dds和鉴频环路；压控晶振模块与dds和中央处理器连接，分别形成外部时钟1和外部时钟2信号；中央处理器的输入端与鉴频环路连接；鉴频环路的输入端与dds连接。
[0053]
此外，中央处理器与dds内部的fsk调制信号具有同频同相的同步鉴相信号以及鉴频信号，并进行同步鉴相处理，得到相应的压控信号作用于压控晶振模块，从而改变压控晶振信号的输出，进而改变dds外部参考时钟的频率，使整个系统完成闭环。
[0054]
具体的，如图5和图6所示，mclk引脚接外部时钟源，使dds的iout引脚输出端频率信号的稳定度与外部时钟源一致，对于内部没有pll倍频环节的dds芯片，通常mclk端输入时钟源的频率应高于iout端输出信号频率的4倍，如输出信号频率为5mhz，那么mclk时钟端的信号频率应该大于20mhz，以期望得到更好的相位噪声，通过外部滤波电路后，可得到比较纯净的信号谱；fselect为键控调频信号输入端，也就是我们的调制方波信号输入端，dds内部有两个频率控制寄存器，通过编程的方式将预先设置好的频率值f0、f1保存在寄存器中，当fselect端有有方波信号输入时，dds的iout端将会随之分别从频率控制寄存器中读出f1或f0的值作为输出，并且会保持信号的相位无变化；psel0、psel1为两路信号频率f1、f0的相位调节端，在应用中，我们拟保持f1、f0在切换时的相位连续，故在设计中直接将psel0、psel1接地；dds与外界的主要通讯时序是通过引脚fsync、sclk、sdata来完成的。
[0055]
当fsync为高电平时，sclk，sdata引脚为高阻状态，当fsync为低电平时，dds将处于通讯状态，此时引脚sclk有一下降沿的脉冲时，将使挂在数据总线sdata上的data写入dds数据缓冲区，直至最终一个data写入时，dds将根据引脚fselect上的状态选择f1或f0作为iout端的输出。
[0056]
对于内部无pll倍频模块dds芯片，引脚mclk输入的外部时钟频率即为系统的时钟频率，以输出5mhz频率信号为例，mclk的时钟输入端信号频率为20mhz；dds内部有2个32位频率控制寄存器(f0、f1)，在上述串行通讯时序中，data位是32位，由此可知，在此mclk外部输入时钟频率20mhz时，ad9832的最小的频率分辨率为4.66mhz。
[0057]
iout输出20mhz时，对应的32位频率控制寄存器的值全为1；输出5mhz时，对应的数值为(5mhz/20mhz)
·232
，将所得到的十进制值转化为二进制对应32位频率控制寄存器的值；根据串行通讯时序，通过微处理器将相应的32位值写入到相应的频率控制寄存器f0中。
[0058]
同样的原理，调制的另一路单频亦能够通过相类似的方法将32位值写入到相应的频率控制寄存器f1中；通过改变dds引脚fselect电平的高低，就可以实现在内部f0、f1频率间的切换，从而输出键控调频信号。其中改变引脚fselect电平的信号由单片机产生。
[0059]
本实施例目的之二在于，提供了原子钟运行可靠性监测方法，包括上述中任意一项的原子钟运行可靠性监测装置，包括如下方法步骤：
[0060]
s1.1、系统重启；
[0061]
s1.2、复现性能评估；
[0062]
s1.3、准确性能评估；
[0063]
s1.4、原子束性能评估；
[0064]
s1.5、对评估进行显示。
[0065]
除此之外，s1.2中复现性能评估的评估步骤如下：
[0066]
s2.1、多位计数模块将f0频率计数值送至寄存器；
[0067]
s2.2、中央处理器完成对寄存器计数值访问；
[0068]
s2.3、中央处理器在获得频率计数值后进行内部处理，并改变原子钟磁场电流补偿模块输出。
[0069]
进一步的，s1.4中原子束性能评估的评估步骤如下：
[0070]
s3.1、利用充有气体的光谱灯向共振吸收泡发出光；
[0071]
s3.2、滤光泡对光谱灯发出的光进行过滤；
[0072]
s3.3、共振吸收泡对光进行共振吸收，共振吸收泡通过外加的磁场使泡内的原子发生分裂，从而使泡内原子发生基态磁共振跃迁提供能量，并将形成的透射光发送至光电检测模块，以将光信号转化为电信号。
[0073]
此外，s3.3中光电检测模块利用a/d采样器获取原子的吸收曲线和微商曲线。
[0074]
除此之外，s1.4中原子束性能评估的电感应性能评估公式：
[0075][0076]
其中，k为微商曲线的斜率；τ为原子的作用时间；n为原子基态能级；s为原子辐射能量；s为吸收曲线的斜率。
[0077]
此外，为了计算微商曲线的斜率k，本实施例通过中央处理器对吸收曲线和微商曲线的纵轴数据进行比较，得出微商曲线中y轴坐标的最大值v
h
(b点)及最小值v
l
(a点)，并记录此时刻相应的x轴频率坐标h
f
及l
f
。它们是一一对应的关系，然后在v
l
至v
h
范围内，选择一个中值。
[0078]
例如：x轴一共有100个点，那么选择的中值点为50，将此点位置定为原点(0、0)，依此点分别向x轴左、右边各取20个点，对这41个点数据进行以下处理：
[0079]
v＝a+kx+j；
[0080]
其中，a为常数，j为随机误差，它表示许多没有考虑的因素的综合影响，可以认为ej＝0，对每一个点(x
i
，v
i
)，应满足；
[0081]
v
i
＝a+kx
i
+j(i＝1，2，3，
…
，n)；
[0082]
设是所需求的估计，则每个点(x
i
，v
i
)与线v＝a+kx之间的偏差尽可能的小；在x＝x
i
处，(x
i
，v
i
)与直线v＝a+kx之间的偏差是：
[0083]
δv
i
＝v
i
‑
(a+kx
i
)(i＝1，2，3，
…
，n)；
[0084]
这里有n个点的偏差值，应该综合考虑，采用偏差平方和来表示总偏差：
[0085][0086]
使达到极小值，作为a，k的估计。由于是a，k的非负二次函数，这种极小值一定存
在；由微积分知道，使达到极小的a，k应满足下列议程：
[0087][0088][0089]
若记：
[0090][0091][0092]
得：
[0093][0094]
这里求得的
[0095]
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

技术特征：

1.原子钟运行可靠性监测装置，其特征在于，包括中央处理器、评估系统以及状态指示模块；评估系统与中央处理器连接；指示模块与中央处理器的输出端连接，其中：评估系统包括复现性能评估模块、准确度性能评估模块、原子束性能评估模块、开机性能评估模块和物理系统作用时间评估模块；复现性能评估模块的输出端与准确度性能评估模块连接；准确度性能评估模块的输出端与原子束性能评估模块连接；原子束性能评估模块的输出端与开机性能评估模块；开机性能评估模块的输出端与物理系统作用时间评估模块连接，且评估系统包括复现性能评估模块、准确度性能评估模块、原子束性能评估模块、开机性能评估模块和物理系统作用时间评估模块均与中央处理器双向连接。2.根据权利要求1所述的原子钟运行可靠性监测装置，其特征在于：所述复现性能评估模块包括隔离放大器、多位计数模块和磁场电流补偿模块；所述中央处理器还包括寄存器，其中：中央处理器的输入端与隔离放大器连接，以通过隔离放大器向外输出信号；中央处理器的输出端与磁场电流补偿模块和多位计数模块连接；多位计数模块的输出端与寄存器连接；寄存器与中央处理器双向连接；另外隔离放大器的输出端与多位计数模块连接；隔离放大器的输入端还与原子钟连接；原子钟的输入端与磁场电流补偿模块连接。3.根据权利要求1所述的原子钟运行可靠性监测装置，其特征在于：所述原子束性能评估模块包括共振吸收泡和光电检测模块；光电检测模块的输入端与中央处理器连接；中央处理器的输出端与共振吸收泡连接并形成传统探测电路；共振吸收泡用于吸收光源。4.根据权利要求1所述的原子钟运行可靠性监测装置，其特征在于：所述准确度性能评估模块包括压控晶振模块、dds和鉴频环路；所述压控晶振模块与dds和中央处理器连接，分别形成外部时钟1和外部时钟2信号；中央处理器的输入端与鉴频环路连接；鉴频环路的输入端与dds连接。5.根据权利要求4所述的原子钟运行可靠性监测装置，其特征在于：所述中央处理器与dds内部的fsk调制信号具有同频同相的同步鉴相信号以及鉴频信号，并进行同步鉴相处理，得到相应的压控信号作用于压控晶振模块。6.原子钟运行可靠性监测方法，包括权利要求1
‑
5中任意一项所述的原子钟运行可靠性监测装置，其特征在于：包括如下方法步骤：s1.1、系统重启；s1.2、复现性能评估；s1.3、准确性能评估；s1.4、原子束性能评估；s1.5、对评估进行显示。7.根据权利要求6所述的原子钟运行可靠性监测方法，其特征在于：所述s1.2中复现性能评估的评估步骤如下：s2.1、多位计数模块将f0频率计数值送至寄存器；s2.2、中央处理器完成对寄存器计数值访问；s2.3、中央处理器在获得频率计数值后进行内部处理，并改变原子钟磁场电流补偿模块输出。8.根据权利要求6所述的原子钟运行可靠性监测方法，其特征在于：所述s1.4中原子束
性能评估的评估步骤如下：s3.1、利用充有气体的光谱灯向共振吸收泡发出光；s3.2、滤光泡对光谱灯发出的光进行过滤；s3.3、共振吸收泡对光进行共振吸收，并将形成的透射光发送至光电检测模块，以将光信号转化为电信号。9.根据权利要求8所述的原子钟运行可靠性监测方法，其特征在于：所述s3.3中光电检测模块利用a/d采样器获取原子的吸收曲线和微商曲线。10.根据权利要求8所述的原子钟运行可靠性监测方法，其特征在于：所述s1.4中原子束性能评估的电感应性能评估公式：其中，k为微商曲线的斜率；τ为原子的作用时间；n为原子基态能级；s为原子辐射能量；s为吸收曲线的斜率。

技术总结

本发明涉及原子钟运行可靠性监测技术领域，具体地说，涉及原子钟运行可靠性监测方法和装置。其包括中央处理器、评估系统以及状态指示模块；评估系统与中央处理器连接；指示模块与中央处理器的输出端连接，以对原子钟的运行状态进行显示。本发明中通过复现性能评估、准确性能评估以及原子束性能评估单元对原子钟运行开机前进行监测，避免出现异常开机的现象，提高运行的可靠性，并结合状态指示模块对原子钟的运行状态进行显示。原子钟的运行状态进行显示。原子钟的运行状态进行显示。