[发明专利]基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定原子钟及实现方法

说明书

本发明公布了一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定原子钟及实现方法，包括：卡尔曼滤波模块、匹配卡尔曼滤波功能的受控振荡器、匹配卡尔曼滤波功能的倍频与频率综合变换电路、原子鉴频器、高速探测器、匹配卡尔曼滤波功能的PID控制器；利用卡尔曼滤波器对信号进行有效滤波，把滤波后的信号反馈给PID控制器，减小过程噪声和测量噪声对系统控制参数的影响，从而实现控制参数的最优化，使控制系统快速趋于平稳状态，由此大幅提高原子钟系统的频率稳定度；通过卡尔曼滤波技术对控温精度需求高的原子钟进行控温，显著改善温度对原子跃迁频率的影响，抑制系统中长期频率稳定度的漂移，由此极大提高原子钟系统的中长期稳定度。

技术领域

本发明涉及微波与光频原子钟及量子频率标准技术领域，尤其涉及一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟及其实现方法。

背景技术

原子钟是迄今为止能够输出最准确最稳定频率信号的科学设备，目前性能最好的原子钟已经能够实现10^-19量级的频率变化测量。得益于原子钟的发展，很多与时频相关的领域，如：全球卫星导航定位系统、高速信息网络时频同步等都能够看到原子钟的身影，并且，高性能的原子钟也正被逐渐应用到传统技术手段所不能够实现的领域，这些应用毫无疑问的凸显了高性能原子钟具有巨大的应用前景和潜力。

原子钟根据本地振荡器输出信号主频率的不同，可以分为微波原子钟和光频原子钟；根据工作原理的不同，其又可以分为被动型原子钟和主动型原子钟。不同种类的原子钟工作原理和输出信号特点都不相同，但其作为一种频率发生设备，最终目的就是为了提供输出精确稳定的频率信号。目前原子钟普遍采用PID(比例proportion、积分integral、微分differential)控制的方法将钟信号频率与量子参考标准频率相比较，用得到的本振信号与原子跃迁频率偏差来执行反馈调节控制，以实现高频率稳定度的钟信号输出。对原子钟内部关键部件的高精度温度控制亦是如此，以PID控温最为常见。

但是，PID控制方法不可避免的会存在一定的缺陷：对于目标参量的控制总是存在一定的剩余偏差，从而导致原子钟系统的输出频率及被控部件的温度也随之相关联而波动；原子钟系统时刻存在着外界环境干扰、测量噪声等影响，而PID控制器却无法根据系统的变化来自动调整控制参数。这些缺陷不仅限制了原子钟频率稳定度指标的提高，而且对于一些对温度极其敏感、控温精度需求极高的原子钟，如：气室型原子钟来说，温度会直接影响原子的跃迁频率，导致随着采样时间的累积，中长期系统的频率以斜率τ发生漂移。并且，原子气室处较大的温度波动会使原子数密度波动大，降低了谱线的信噪比，同时还会使热原子间的碰撞频移更大，同样限制了系统频率稳定度的进一步提高。因此，对原子钟系统进行精确控温控频至关重要。目前国内外仅报道了一项利用卡尔曼滤波算法提高钟差预测精度的实例[专利号：CN201811561770.8]，而将卡尔曼滤波技术运用到原子钟内部的实例，文献和专利均未见应用报道。

发明内容

本发明针对原子钟现有控温控频技术中所存在的上述缺陷和不足，于国际上首次创新地提出一种基于卡尔曼滤波最优状态估计的高稳定度原子钟实现方法。通过将卡尔曼滤波算法与现有传统的PID控制技术相结合，利用卡尔曼滤波器对信号的良好滤波效果，把滤波后的信号反馈给PID控制器，以减小过程噪声和测量噪声对系统控制参数的影响，从而实现控制参数的最优化，改善控制效果，使控制系统能够很快地趋于平稳状态，由此大幅度地提高原子钟系统的频率稳定度。此外，对于对温度极其敏感、控温精度需求极高的原子钟，如：气室型原子钟，结合卡尔曼滤波技术进行控温可以显著改善温度对原子跃迁频率的影响，抑制系统中长期频率稳定度的漂移，由此极大地提高原子钟系统的中长期稳定度。本发明的实现，可以很好地解决原子钟现有控温控频技术中存在剩余控制偏差以及无法避免过程噪声和测量噪声等外界因素影响，导致控制效果差从而限制原子钟频率稳定度指标进一步提高的问题。

本发明的技术方案是：