提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法技术

本发明专利技术公开了一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法。使用本发明专利技术能够降低调频闪烁噪声、并减小等效噪声带宽，提高铯原子频标查询信号信噪比，从而提高铯原子频标稳定度。本发明专利技术利用锁定放大器中的低通滤波环节将查询信号从背景噪声中提取出来，提高查询信号的信噪比，通过正交矢量锁定放大器的幅值计算，可以精确地获得多点调频时的幅度误差，提高计算精度，有利于提高铯原子钟输出频率的准确性。同时，采用前置放大电路一方面将查询信号的电流信号转化成电压信号利于锁定放大器计算，另一方面也可以避免现有技术中前置放大器硬件装置复杂、使用不便的缺陷。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及铯原子频标
，具体涉及一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法。
技术介绍
商品型铯原子频标的稳定度是其关键指标之一，稳定度又取决于其物理部分即铯束管输出的查询信号信噪比，因此降低查询信号噪声是国内开展这类铯原子频标(包括双束磁选态铯原子频标、单束磁选态铯原子频标和激光抽云铯原子频标)研制非常关注的一个问题。国外商品型磁选态铯原子频标通常为1000～3000(1Hz带宽)，提高商品型铯原子频标稳定度必须要提高查询方波信号的幅度检测信噪比，信噪比越高，稳定度越好。国外先进商品型铯原子频标锁定频率时对Ramsey扫频花样的中央峰采用方波调制，即输入铯束管的微波频率在中央峰f0两侧对称的频率点f0-Fp1、f0+Fp1上交替切换，输出的查询信号也为方波信号，将查询信号经前置放大器输出至单片机，由单片机计算调频时的幅度误差，获得误差信号，再将误差信号输出至压控晶振，调节压控晶振的频率，获得准确的铯原子钟输出频率，当铯原子频标锁定时两个频率点上的信号幅度相等，未锁定时由两信号幅度之差确定频率锁定到中央峰频率时所需的控制量。惠普公司1992年进一步提出了一种4个频率点(f0-Fp2、f0-Fp1、f0+Fp1和f0+Fp2)调制方法(专利US005146184A)来消除Rabi牵引。查询信号叠加了铯离子束流的散粒噪声、电子倍增器的暗电流噪声和电路放大带来的噪声，当查询信号信噪比比较高时，单片机能够很方便地计算出频率幅度，进而计算出幅度误差对压控晶振进行调控，而当查询信号很小导致信噪比不高时，由单片机获得的幅度值误差较大，不能很好地对铯原子频标进行稳定。铯原子频标的噪声类型主要包括调频白噪声(f0)、调频闪烁噪声(f-1)和调频随机游走噪声(f-2)，其中调频闪烁噪声决定了10万秒以内稳定度指标，是铯原子频标稳定度提高首先需要解决的问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，能够降低调频闪烁噪声、并减小等效噪声带宽，提高铯原子频标查询信号信噪比，从而提高铯原子频标稳定度。本专利技术的提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，将铯束管的查询信号输出至前置放大电路，前置放大电路将查询信号的电流信号转化为电压信号，并将电压信号进行放大，将放大后的电压信号进行数字采样、去除直流分量处理后，作为被测信号x(t)输出至正交矢量锁定放大器，再利用参考信号r(t)正交矢量锁定放大器计算出被测信号x(t)的幅值，获得幅值误差信号E，然后将幅值误差信号E输出至压控晶振，用于调节压控晶振的频率；其中，正交矢量锁定放大器的参考信号r(t)与铯束管的调制信号的频率和持续周期数相同，参考信号r(t)的幅值为1，相位为0，正交矢量锁定放大器中的低通滤波器为积分器，则低通滤波器LPF1的输出为低通滤波器LPF2的输出为其中，积分时间T为调制信号在2个频点间切换时的持续时间，根据低通滤波器LPF1与LPF2的输出，即可获得幅值误差信号E。进一步地，对于采用2个频率点f0-Fp1和f0+Fp1方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的幅值误差信号E为E＝i2-i1＝2(u0y-u0x)其中，i1为频率点f0-Fp1对应的信号幅度，i2为频率点f0+Fp1对应的信号幅度，u0x、u0y的积分时间T为调制信号频率在f0-Fp1和f0+Fp1之间切换时的持续时间。进一步地，对于采用4个频率点f0-Fp2、f0-Fp1、f0+Fp1和f0+Fp2方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的误差信号E为E=(i2-i1)-13(i3-i4)]]>其中，i1为频率点f0-Fp1对应的信号幅度；i2为频率点f0+Fp1对应的信号幅度；i3为频率点f0-Fp2对应的信号幅度；i4为频率点f0+Fp2对应的信号幅度；其中，i3-i4＝2(u0x-u0y)，此时u0x、u0y的积分时间T为调制信号频率在f0-Fp2和f0+Fp2之间切换时的持续时间；i2-i1＝2(u0y-u0x)，此时u0x、u0y的积分时间T为调制信号频率在f0-Fp1和f0+Fp1之间切换时的持续时间。进一步地，对于采用3个频率点f0-Fp1、f0和f0+Fp1方波调制的铯束管查询信号，正交矢量锁定放大器输出的误差信号E为E＝(i3-i1)-(i3-i2)其中，i1为频率点f0-Fp1对应的信号幅度；i2为频率点f0+Fp1对应的信号幅度；i3为频率点f0对应的信号幅度；i3-i1＝2(u0y-u0x)，此时u0x、u0y的积分时间T为调制信号频率在f0-Fp1和f0之间切换时的持续时间；i3-i2＝2(u0y-u0x)，此时u0x、u0y的积分时间T为调制信号频率在f0+Fp1和f0之间切换时的持续时间。有益效果：本专利技术利用锁定放大器中的低通滤波环节将查询信号从背景噪声中提取出来，提高查询信号的信噪比，通过正交矢量锁定放大器的幅值计算，可以精确地获得多点调频时的幅度误差，提高计算精度，有利于提高铯原子钟输出频率的准确性。同时，采用前置放大电路一方面将查询信号的电流信号转化成电压信号利于锁定放大器计算，另一方面也可以避免现有技术中前置放大器硬件装置复杂、使用不便的缺陷。附图说明图1为采用锁定放大方波调制的铯原子钟结构示意图。图2为正交矢量锁定放大器结构示意图。图3为2个调制频率点在Ramsey花样上分布图。图4为2点调制频率方式图。图5为2个调制频率点时未锁频时的查询信号示意图。图6为4个调制频率点在Ramsey花样上分布。图7为4个调制频率点时采用锁定放大的微波调频方式。图8为4个调制频率点时未锁频时的查询信号示意图。图9为3个调制频率点在Ramsey花样上分布。图10为3个调制频率点时采用锁定放大的微波调频方式。图11为3个调制频率点时未锁频时的查询信号示意图。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本专利技术进行详细描述。本专利技术提供了一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，采用正交矢量锁定放大器将查询信号从背景噪声中提取出来，提高信噪比，同时，将现有技术中单片机直接计算信号幅度误差差值转化为求取锁定放大器中低通滤波器的幅度误差，利用锁定放大器中的低通滤波器降低了铯束管查询信号的调频闪烁噪声，并减小等效噪声带宽，提高查询信号信噪比，同时，为配合锁定放大器的使用，将现有技术中的前本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，其特征在于，将铯束管的查询信号输出至前置放大电路，前置放大电路将查询信号的电流信号转化为电压信号，并将电压信号进行放大，将放大后的电压信号进行数字采样、去除直流分量处理后，作为被测信号x(t)输出至正交矢量锁定放大器，再利用参考信号r(t)正交矢量锁定放大器计算出被测信号x(t)的幅值，获得幅值误差信号E，然后将幅值误差信号E输出至压控晶振，用于调节压控晶振的频率；其中，正交矢量锁定放大器的参考信号r(t)与铯束管的调制信号的频率和持续周期数相同，参考信号r(t)的幅值为1，相位为0，正交矢量锁定放大器中的低通滤波器为积分器，则低通滤波器LPF1的输出为低通滤波器LPF2的输出为其中，积分时间T为调制信号在2个频点间切换时的持续时间，根据低通滤波器LPF1与LPF2的输出，即可获得幅值误差信号E。

【技术特征摘要】
1.一种提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大方法，其特征在
于，将铯束管的查询信号输出至前置放大电路，前置放大电路将查询信号的电
流信号转化为电压信号，并将电压信号进行放大，将放大后的电压信号进行数
字采样、去除直流分量处理后，作为被测信号x(t)输出至正交矢量锁定放大器，
再利用参考信号r(t)正交矢量锁定放大器计算出被测信号x(t)的幅值，获得幅值
误差信号E，然后将幅值误差信号E输出至压控晶振，用于调节压控晶振的频
率；
其中，正交矢量锁定放大器的参考信号r(t)与铯束管的调制信号的频率和持
续周期数相同，参考信号r(t)的幅值为1，相位为0，正交矢量锁定放大器中的
低通滤波器为积分器，则低通滤波器LPF1的输出为低通滤
波器LPF2的输出为其中，积分时间T为调制信号在2个
频点间切换时的持续时间，根据低通滤波器LPF1与LPF2的输出，即可获得幅
值误差信号E。
2.如权利要求1所述的提高原子频标查询信号信噪比的方波矢量锁定放大
方法，其特征在于，对于采用2个频率点f0-Fp1和f0+Fp1方波调制的铯束管查询
信号，正交矢量锁定放大器输出的幅值误差信号E为
E＝i2-i1＝2(u0y-u0x)
其中，i1为频率点f0-Fp1对应的信号幅度，i2为频率点f0+Fp1对应的信号幅
度，u0x、u0y的积分时间T为调制信号频率在f0-Fp1和f0+Fp1之间切换时的持续时
间。
3.如权利要求1所述的提高原子频标...

【专利技术属性】
技术研发人员：王骥，陈江，成大鹏，马寅光，朱宏伟，袁征难，黄良育，郑宁，高玮，张涤新，李得天，刘志栋，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃;62