光钟间歇运行驾驭微波钟产生高精度时间的方法
阅读说明：本技术 光钟间歇运行驾驭微波钟产生高精度时间的方法 (Method for generating high-precision time by driving microwave clock by intermittent operation of light clock ) 是由 徐琴芳 常宏 于 2021-07-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种光钟间歇运行驾驭微波钟产生高精度时间的方法,包括光钟频率下转换及与微波钟的频差测定、频差模型建立、光钟驾驭及光频原子时输出三个步骤,通过间歇性运行光钟驾驭微波钟实现连续的高精度时间尺度输出。本发明与现有时间频率系统相比,其时间精度和稳定度更高,系统更加简单。本发明具有方法简单、实用、可靠性高等优点,可在光频标中推广使用。(The invention provides a method for generating high-precision time by driving a microwave clock by intermittently operating a light clock, which comprises three steps of down-conversion of the frequency of the light clock, frequency difference measurement with the microwave clock, frequency difference model establishment, driving of the light clock and output of light frequency atoms, and realizes continuous high-precision time scale output by intermittently operating the light clock to drive the microwave clock. Compared with the existing time frequency system, the time frequency system has higher time precision and stability and is simpler. The method has the advantages of simplicity, practicability, high reliability and the like, and can be popularized and used in the optical frequency standard.)
技术领域
本发明属于光频标技术领域，具体涉及一种产生高精度时间的方法。
背景技术
原子钟是以原子共振频率标准作为时间频率基准，其以电子转变能级时释放的精确微波或光学讯号作为钟信号，是世界上目前最准确的时间测量工具和频率标准。对于时间标准，能准确的实现定义单位的装置就叫基准标准。根据原子秒的定义，高性能指标的原子钟才可能作为时间的基准标准，即基准原子钟。
基准原子钟是具有自我评估能力的最高时间频率标准，是复现国际原子时秒长单位最为准确的原子钟。光钟是以原子的光学波段跃迁为基准的时间频率基准，以原子的光学波段跃迁作为钟频率进行精确测量作为实现手段，是目前国际上最新一代的基准原子钟。因为光学频率比微波频率高5个数量级，所以利用原子的光学跃迁频率作为时间频率标准具有比微波频率标准更高的准确度和稳定度。目前原子光钟实现的准确度和稳定度都已进入E-18量级，比目前基准钟—铯微波喷泉钟高近两个量级。鉴于光钟的超高性能，光钟已经成为高精度时间频率基准的研究热点且被寄予厚望，一方面光钟极有可能成为下一代的时间基准，重新对“秒”进行定义；另一方面将光钟作为基准钟驾驭守时钟组，不需要多台加权平均，可有效提高守时钟组的性能。但这技术面临的一个挑战是这些实验性光钟尚未长时间连续运行，这是由于光钟是一套复杂的集光、电、真空、原子系统、自动控制于一体的大型科研装置，其复杂性使得难以将整个光钟系统维持在最佳状态，导致光钟一般都是间歇性运行，很难将其纳入常规守时系统。因此，如何利用间歇性运行的光钟来产生并保持一个稳定连续的高精度时间尺度，这是光钟成为下一代时间基准所要解决的关键问题之一，也是光钟面向具体应用的难点。
目前，基本都是利用多台高精度原子钟通过驾驭尺度算法来获得一个稳定可靠的综合时间尺度，以此驾驭本地时间，用来做驾驭的参考钟或参考钟组基本都是连续运行的。守时钟组需要多台氢钟和铯钟加权平均来保持和输出时间尺度，系统庞大复杂且精度只能维持在E-15量级。利用光钟作为基准钟驾驭微波守时钟(氢钟或铯钟组)，不需要像目前采用的多台微波守时钟加权平均的方式，完全有望取代现有的采用多台微波钟组来守时或作为系统参考钟的工作模式。通过一台光钟驾驭两台或三台微波守时钟，甚至单台守时钟就能保证高精度的系统时间输出。这样可以大大地降低系统的复杂性，有效提高守时钟组的性能。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提供一种光钟间歇运行驾驭微波钟产生高精度时间的方法，利用间歇性运行的光钟来产生并保持一个稳定连续的高精度时间尺度，提高时间精度，简化时频系统，取代现有的采用多台微波钟组来守时或作为系统参考钟的工作模式。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：
1)将光钟输出信号的频率转换至微波频段，之后与微波钟的输出信号进行频差测定；
2)建立微波钟相对于光钟的频差模型其中，y(t)是t时刻微波钟相对于光钟的频差，ts是模型的起始时间，是模型的常数项，k是频差模型的斜率，和k均通过拟合得到，w(t)由各种噪声和测量误差组成；
用基于过去时间T所得到的N个分数频差yi值进行线性拟合，得到微波钟相对于光钟的频差将ts赋值为窗口T时间内最后一次测量时刻tN，根据上述线性拟合方程预测未来一段时间tPMS内微波钟相对于光钟的频差；
3)通过相位微跃器实现对自由运行的微波钟输出信号的控制，将步骤2)预测的频差作为频率控制量输入到相位微跃器中，从而修正相位微跃器的实时物理信号输出。
所述的光钟输出信号通过飞秒光频梳进行频率转换。
所述的光钟与微波钟的频差测量时长为Δop，使用鉴相器测量Δop结束和开始时刻光钟与微波钟的相对相位，分别记为φF和φI，则光钟与微波钟进行N次相位差比对后得到N个分数频差其中fHM是微波钟的频率，fSr是光钟的频率。
所述的步骤2)中，建立频差模型的包括以下步骤：
Step1，初始化参数T、tPMS和根据两个频差测量模型建立的初始线性拟合方程；
Step2，判断是否有新的频差测量数据产生，若有，更新ts，并根据T中新的数据重新拟合线性方程，进入Step4；若无，进入Step3；
Step3，判断当前时间窗口T内的测量数据是否有变化，若有，则根据T中新的数据重新拟合线性方程；若无，保持拟合方程不变；
Step4，根据拟合方程计算未来tPMS时间内的频差预测值，并以时间长度tPMS来移动时间窗口T，返回Step2。
所述的光钟两次运行之间积累的相位偏差
其中，σP是评估光钟运行时驾驭微波频率过程中的统计不确定度，σF是微波钟Hadamard偏差的散粒噪声噪底，σP和σF贡献到全部相位误差分别表示为εP和εF。
所述的窗口T取为30天，光钟运行N＝15次，每次运行时长为104秒，来驾驭微波钟进行光频原子时输出。
本发明的有益效果是：利用单台光钟驾驭微波钟能在较短的时间内准确地评估微波钟频率漂移，能很大程度的消除微波钟的线性频率漂移和随机相位波动。由于光钟的稳定度和准确度远优于微波钟，因此光钟不需要连续运行，就能达到与铯喷泉钟连续运行驾驭氢钟守时可比拟的效果。间歇性运行光钟，不占用光钟，光钟同时还可以应用在其他方面。本发明具有方法简单、实用、可靠性高等优点，可在基于光钟的时间尺度输出中推广使用。
附图说明
图1是本发明的流程图。
图2是本发明实施例1的频差模型建立流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明利用连续运行但精确度较低的微波钟作为飞轮，高稳定度、高准确度的光钟作为基准参考钟，间歇性运行光钟来引导时间尺度，实现光钟驾驭的连续时间尺度输出。
本发明包括以下步骤：
1.光钟频率下转换及与微波钟的频差测定
光钟输出的频率信号为光频段信号，为了与微波钟进行频差测量，需要借助飞秒光频梳进行频率的下转换，将光频段的光钟信号转换至微波频段，之后再与微波钟信号进行频差测量比对。光频的下转换具体是通过谐波和分频技术获得微波信号，之后将该频率值与微波钟输出的频率进行频率差的精确测量。频差测量采用相位比较测频差法，由于相位比较测频差是通过线性鉴相器转换为和它呈线性关系的电压输出，因此，采用更加精确的相位变化差异来计算两个频率信号的频率差来获得高精度的测量结果。
假设微波钟与光钟的频差测量时长为Δop，使用鉴相器测量Δop结束和开始时刻光钟与微波钟的相对相位，分别记为φF和φI。那么，微波钟与光钟的分数频差yi(i＝1...,N)为
其中fHM是微波钟的频率，fSr是光钟的频率。通过测量光钟与微波钟的相对相位差即可间接得到两者的频率差。
2.频差模型建立
微波钟相对于光钟的频差模型为
其中，y(t)是t时刻微波钟相对于光钟的频差，ts是模型的起始时间，是模型的常数项，k是频差模型的斜率，和k均通过拟合得到，w(t)由各种噪声和测量误差组成。
假设光钟在时间窗口T内操作N次，即光钟与微波钟进行N次相位差比对后得到N个分数频差yi值。此时，用基于过去时间T所得到的N个分数频差yi值进行线性拟合，并认为在时间窗口T内，w(t)变化较小，即对线性拟合带来的误差影响较小，w(t)近似为零，因此得到微波钟相对于光钟的频差y(t)：
式中ts赋值为窗口T时间内最后一次测量时刻，即tN。根据上述线性拟合方程可以预测未来一段时间tPMS(即频率补偿持续时间)内微波钟相对于光钟的频差，并以此补偿微波钟的频率。
3.频率驾驭和光频原子时输出
频率驾驭是指通过一定的算法获得频率标准的补偿量，干预频率标准的自由走势，在尽量保证其短期稳定度的前提下，提高其准确度和长期稳定度。频率驾驭目的就是不影响频率稳定度的前提下，提高准确度。光钟驾驭微波钟是通过相位微跃器实现对自由运行的微波钟输出信号的控制。频率驾驭实现过程：通过建立的频差模型预估微波相对光钟的频偏值，之后将该值作为频率控制量输入到相位微跃器中，从而修正相位微跃器的实时物理信号输出。微波钟频率驾驭不是对微波钟本身进行控制，微波钟本身自由运转，只对从微波钟输入到相位微跃器的频率信号进行驾驭，精密控制后输出的1PPS和5MHz/10MHz信号即为驾驭后的基于光钟的时间频率信号。
光钟驾驭微波钟时光钟是间断运行的，但是多长时间运行一次光钟且每次运行多长时间主要是由微波钟的稳定度决定的，微波钟能达到的稳定度越高且所需积分时间越短，则所需光钟驾驭微波钟的时间和频率越低。时标的不确定度主要归因于线性趋势的预测误差和微波钟的随机相位。计算那哪些不确定度是可能的，通过考虑最小二乘拟合的误差以及微波钟的噪声特性。因此估计导致两次光钟运行之间积累的相位偏差是：
其中假定在时间T内光钟运行N+1次是均匀分布的，σP是评估光钟运行时驾驭微波频率过程中的统计不确定度，σF是微波钟Hadamard偏差的散粒噪声噪底，σP和σF贡献到全部相位误差分别表示为εP和εF。假设σP和σF分别为4×10-16和3×10-16，通过模拟可知，在时长T＝30天内，光钟运行N＝15次，每次运行时长为104秒，来驾驭微波钟进行光频原子时输出，可以实现输出的光频原子时稳定度进入E-17量级。
在频差模型建立步骤2中，其建立频差模型的流程参见图2，由四步组成。
Step1，初始化，包括参数T，tPMS和根据两个频差测量模型建立的初始线性拟合方程。
Step2，判断是否有新的频差测量数据产生，若有，更新ts，并根据T中新的数据重新拟合线性方程，进入Step4；若无，进入Step3。
Step3，判断当前时间窗口T内的测量数据是否有变化，若有，则根据T中新的数据重新拟合线性方程；若无，保持拟合方程不变。
Step4，根据拟合方程计算未来tPMS时间内的频偏预测值，以此补偿微波钟的频率，并以时间长度tPMS来移动时间窗口T，返回Step2。
以锶原子光钟驾驭氢钟为例，说明光钟间接运行驾驭微波钟产生高精度时间的方法如下。
1.测量锶原子光钟与氢钟的频差
氢钟的输出频率包含5MHz、10MHz、100MHz等频率信号，而锶原子光钟闭环锁定后，输出的为698nm波长的光波，即频率为429THz的光频率信号，因此，借助重复频率为250MHz飞秒光频梳进行光频率下变频到微波频率，通过光梳的四次谐波导出频率恰好为1GHz的下变频微波信号，将该1GHz微波信号通过10分频至100MHz，即实现将锶原子光钟频率下转化至微波频段，得到与氢钟相同频率的频率信号。利用鉴相器测量锶原子光钟与氢钟的相对相位,将相对相位值代入下式即可间接得到两者的分数频率差。
其中Δop为微波钟与光钟的频差测量时长，φF和φI分别为在测量时长Δop结束和开始时刻光钟与微波钟的相对相位。
2.基于窗口化线性拟合方法的频差模型
微波钟相对于光钟的频差模型为：
其中，y(t)是t时刻微波钟相对于光钟的频差；是模型的常数项，k是频差模型的斜率，主要是由微波钟的频率漂移引入，和k均由拟合得到；ts是模型的起始时间；w(t)由各种噪声和测量误差组成。
假设锶原子光钟在时间窗口T内操作N次，即锶原子光钟与氢钟进行N次相位差比对后得到N个分数频差yi值。此时，用基于过去时间T所得到的N个分数频差yi值进行线性拟合，并认为在时间窗口T内，w(t)变化较小，即对线性拟合带来的误差影响较小，w(t)近似为零，因此得到氢钟相对于锶原子光钟的频差y(t)：
式中ts赋值为窗口T时间内最后一次测量时刻，即tN。根据上述线性拟合方程可以预测未来一段时间tPMS(即频率补偿持续时间)内氢钟相对于锶原子光钟的频差，并以此补偿氢钟的频率。
基于窗口化线性拟合方法的频差模型具体建立流程参见图2。
Step1，初始化，包括参数T，tPMS和根据两个频差测量模型建立的初始线性拟合方程。
Step2，判断是否有新的频差测量数据产生，若有，更新ts，并根据T中新的数据重新拟合线性方程，进入Step4；若无，进入Step3。
Step3，判断当前时间窗口T内的测量数据是否有变化，若有，则根据T中新的数据重新拟合线性方程；若无，保持拟合方程不变。
Step4，根据拟合方程计算未来tPMS时间内的频偏预测值，以此补偿氢钟的频率，并以时间长度tPMS来移动时间窗口T，返回Step2。
3.频率驾驭和光频原子时1PPS输出
通过建立的频差模型预估氢钟相对锶原子光钟的频偏值，之后将该值作为频率控制量输入到相位微跃器中，从而修正相位微跃器的实时物理信号输出。氢钟频率驾驭不是对氢钟本身进行控制，氢钟本身自由运转，只对从氢钟输入到相位微跃器的频率信号进行驾驭，精密控制后输出的1PPS和5MHz/10MHz信号即为驾驭后的基于锶原子光钟的时间频率信号，即光频原子时。
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