基本信息
- 项目名称：
- 超小型铷原子频标与频率稳定度测量系统的研制
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作A类
- 简介：
- 作品首先阐述了铷原子频标及时频测量系统的基本原理。在分析各部件对系统频率稳定度的影响的基础上，对铷原子频标及频率测量系统的设计方案进行了讨论。设计并制作出用于原子频标的恒温压控晶振、DDS合成源、调相电路、晶体管及阶跃二极管倍频电路、伺服电路；用于测量系统的倍频、混频、整形滤波、及嵌入式系统等。通过优化设计，实现优势组合与互补的铷原子频标系统及频率稳定度测量系统。
- 详细介绍：
- 在高度稳定的被动型原子频标的物理系统的基础上分析各部件对系统频率稳定度的影响，设计出高精度的恒温控制的压控石英振荡器、DDS频率源、调相电路、晶体管及阶跃二极管倍频电路、伺服电路等，优化电路设计和参数选择，实现优势组合与互补的铷原子频标系统。然后将频标信号送入频率稳定度测量系统作为标准时钟源，通过倍频、混频、滤波、比较与整形等电路的整合，可采取阿伦方差、哈达玛方差的统计方法，对输入待测信号的频率稳定度指标进行比对测量，并通过嵌入式系统与微机的通信，将嵌入式系统采集的数据上传给PC机处理，图形化显示出所采集的实时频率值、频率不稳定度的统计值。并方便网络传输与远程监控与处理。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：北斗卫星系统研究员谭述森表示，与广为接受的美国GPS卫星导航系统相比，北斗在未来的设计应用上主要存在三大难点，其中最重要的就是如何保持卫星导航的高精度，其解决方案就是在卫星上配备高稳定性、高精度的原子钟。然而，在原子钟的指标上，我国和美国还存在一定的差距，因此需要加大这方面的自主研发。我们的目标是先研制一般指标的商用铷原子钟，为今后研制高端应用的高指标铷原子钟打下基础。 基本思路：在高度稳定的原子频标的物理系统的基础上，分析各部件对系统频率稳定度的影响，设计出高精度的恒温控制的压控晶体振荡器、DDS频率源、调相电路、倍频电路等，优化了电路设计和参数选择，实现优势组合与互补的铷原子频标系统。然后将频标信号送入频率稳定度测量系统作为标准时钟源，通过倍频、混频、滤波、比较及DDS等电路，可对输入信号的频率稳定度进行测量并通过上位机进行控制及图形化显示。创新点：1、通过非整数恒温压控晶振实现精确且连续可调的频率分辨率；2、实现无频率综合器及高效倍频电路，提高频谱纯度；3、具有高精度双模式的时域频率稳定度测量系统。技术关键：1、实现将物理系统优良的长期频率稳定度与准确度无误差的传递给压控石英晶体振荡器，并使压控石英晶体振荡器良好的短期稳定度得以保持，实现频标长、短稳兼优。2、实现无频率综合器的高精度伺服控制电路及高稳定的低噪声倍频电路。3、高精度双模式的频标比对与测量系统。铷原子钟主要技术指标：短期稳定度:1E-11/1s;6E-12/10s;2E-12/100s。
科学性、先进性
- 本系统中的原子频标整机由于采用了非整数压控晶体振荡器，实现无频率综合器的高精度伺服控制电路及高稳定的低噪声倍频电路，其性能达到国内同类型商业铷原子钟的先进指标，更好的性价比和可靠性。同时进一步减小了体积、重量、功耗，提高了长期稳定度、相位噪声、漂移等被动型铷原子频标的综合性能，具有很突出的先进性。双模式频标比对频率稳定度测量系统，综合了频差倍增法及差拍法两种测量模式，与国内同类型的频标比对测量系统相比，本系统中直接数字频率合成器的应用，可对10KHz-100MHz频率范围内的任意频点进行差拍及滤波整形处理，完成时域频率稳定度测量。1PPS处理方便频标信号的同步。这些功能大大提高了测量系统的应用范围，具有明显的先进性。另外嵌入式与PC机的互连，由微型计算机实现数据处理与图形化显示，增强了本测量系统的智能功能，网络传输与处理功能方便了远程监控与网络管理，进一步提高了作品的先进性。
获奖情况及鉴定结果
- 湖北省第八届“挑战杯”大学生课外学术科技作品竞赛特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段
技术转让方式
- 有偿转让
作品可展示的形式
- 实物、产品、图纸、现场演示、图片、录像、样品
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点和优势： 实现无频率综合器的伺服控制电路；将量子系统频率稳定度转移给非整数恒温压控晶振，实现精确且连续可调的频率分辨率；高效倍频电路提高频谱纯度；双DDS可方便设置输出频率。具有高精度双模式的时域频率稳定度测量系统。将嵌入式系统采集的数据上传给PC机处理，图形化显示出所采集的实时频率值、频率不稳定度的统计值。适用范围： 1.作为时间频率标准用来计频授时；2.在数字通信中将作为高精密时间标准源；3.减灾预报，如气象、地震、水文等；4.供电网运行的监测。推广前景：人类社会信息化程度的快速发展和提升对信息传输和处理的要求越来越高，从而对高准确度的时频基准和更高精度的测量技术也提出了新的要求。小型化铷原子频标是商业化时间频率测量系统的发展方向。调查分析结果显示，一台铷原子钟售价可高达18000元。本产品批量生产的材料成本约2800元，综合生产过程中的费用和使用寿命，性价比远远高于国内同等产品。相信本产品的推广及产业化将在一定程度上促进我国原子频标及其频标比对及测量装置的发展。
同类课题研究水平概述
- 近年来，对于被动型铷原子频标的研究工作主要针对提高其稳定度指标和小型化而进行的。随着现代科学技术的快速发展，对时频源的稳定度指标要求越来越高。美国的Synunetrieom公司、FEI公司、Stanford大学、英国的Quartzloek公司、法国的Spectratime公司和以色列AccuBeat ltd公司等，均在实验室研究的基础上转化推出了自己的产品并继续在该领域进行深入研究，持续改善产品各方面性能，以进一步满足军、民领域对被动型小型化铷原子频标更高性能指标的要求。北斗卫星系统研究员谭述森就表示，与现有世界上被广泛使用的美国GPS卫星导航系统相比，我国的北斗系统在未来的设计应用上主要存在三大挑战，其中最重要的就是如何保持卫星导航的高精度，针对这个问题的解决方案则就是在卫星上配备高稳定性、高精度的原子钟。然而，在原子钟的技术精度和稳定性上，我国和美国还存在一定的差距，因此需要加大投入进行这方面的自主研发。从原子频标的应用可以看出，原子频标在国防和民用领域都具有极高的价值。现在美国只对我国开放低端的商用铯钟、铷钟，对于高端的产品，特殊用途的产品（例如用于星载或弹载的原子钟）则采取非常严格的禁运，所以我国必须走自主研制、自主开发的道路。从我国对原子钟的需求看，在通信、电力、导航、航空航天、电子行业、仪器仪表、国防军工、计量和天文等领域需要大量民用的原子钟，卫星定位系统需要高性能的星载钟，而地面站原子钟的性能也有待进一步提高。此外，我国未来的空间实验室也需要研制高性能的空间原子钟。总而言之，我国对各个层面的原子钟都有非常迫切的需求。离开了精密的时间同步，大容量的高速信息传递的实现将是非常困难的。当前国内研制小型铷原子频标的单位主要有航天部二院203研究所、武汉物理研究所、武汉中科时润频标技术有限公司和四川天奥星华时频技术有限公司。航天部二院203研究所、武汉物理研究所主要研究星载铷原子频标。四川天奥星华时频技术有限公司主要生产军用和部分民用铷原子频标产品。而武汉中科时润频标技术有限公司为武汉物理研究所控股的公司，主要生产民用铷原子频标。而本设计的作品在性能上能够与上述公司相应民用原子频标产品接近，但成本更低，适合商用及实验室仪器等的应用，具有广泛的应用价值和推广前景。
