[发明专利]一种基于卡尔曼滤波控温控频的铷原子小光钟及实现方法

说明书

本发明公布了一种基于卡尔曼滤波控温控频的铷原子小光钟及实现方法，包括：一维卡尔曼滤波模块、二维卡尔曼滤波模块、温度伺服控制器、频率伺服控制器、带有卡尔曼滤波功能接口的控温模块和带有卡尔曼滤波功能接口的控频模块；利用温度伺服控制器和卡尔曼滤波器对激光器和原子气室实现闭环温度控制，并达到控温参数自调整；成数量级地减弱过程噪声和测量噪声对控制参数的影响；同时利用卡尔曼滤波在含有噪声的信号中动态估计频率测量系统的状态，在短时间内将铷原子钟的噪声校正到更低的噪声基准，进一步提高激光的频率稳定度。

技术领域

本发明属于原子钟与频率标准技术领域，涉及控温控频的原子钟技术，具体涉及一种基于卡尔曼滤波控温控频的铷原子小光钟及实现方法。

背景技术

时间频率测量精度的稳步提升促进了超精密光谱、天文观测、深空探测及物理基本常数测量等高精度时间测量方面的应用。同时，对高速通信、导航定位、大地测量及国防军事等领域影响广泛。目前，原子钟是目前最准确的时间频率设备，其中最好的光钟频率稳定度已经达到10^-19量级，国际上应用的原子钟多为铯、氢和铷原子钟，其中铷原子钟的应用最为广泛。

铷原子小光钟系统大致分为物理系统、光学系统以及控制系统，物理系统是铷原子小光钟的核心部件，主要由半导体窄线宽激光器、铷原子气室和光电探测器组成；其中半导体窄线宽激光器在系统中是将电子转换为光子的器件，由于形成窄线宽激光器的腔内存在损耗，半导体窄线宽激光器在工作时温度会有所升高，导致激光频率有所变化，影响激光波长的稳定性；同时，半导体窄线宽激光器长期工作在高温下会影响使用寿命。原子气室为铷原子小光钟提供量子参考，精确的温度控制可以保证足够多的原子与激光相互作用，如果原子气室和冷指的温度相差过大，原子过多凝结在冷指端口，影响与光子共振的原子数量；另外在靠近原子气室通光孔位置的精确控温可以进一步精密监测原子数的利用情况，避免原子凝结在通光孔降低与原子作用的光子数量。

现有的PID控温技术主要是将设置值和测量值的偏差值的比例、积分和微分的线性组合构成控制器，对控温对象进行控制；由于温度监测过程中，由于热敏电阻、监测系统之间的电缆及器件的响应带宽都会产生噪声，使得测量得到的温度数据存在噪声；同时在原子频标的高精密测量中对温度控制精度越来越高，尤其是在有干扰环境的系统中，由于PID控温技术的局限性，控制器的参数不能实现自动调整控制参数来适应环境的要求，不能实现高精度的控温效果，进一步限制铷原子小光钟中长期的频率稳定度指标。

目前原子钟研究中，例如在《量子频标原理》第四章节的频率控制原理中介绍的伺服环路控制器的信号直接反馈给受控晶振，也就是直接输出给激光电流、PZT或用于调制激光频率的AOM的驱动，反馈的信号中包含射频放大噪声及相检的模拟线路噪声，没有实现对噪声的预测和处理能力，同时外界物理环境噪声的影响进一步限制了铷原子小光钟的频率稳定度和准确度的进一步提升。

对于卡尔曼滤波的部分，卡尔曼的状态方程及测量方程表达式为：

X(k+1)＝ΦX(k)+W(k)

Y(k)＝H X(k)+V(k)

其中，X(k)为系统的状态信号，Y(k)为系统的测量信号，Φ为状态转移矩阵，H为观测矩阵,W(k)为系统噪声，相应的方差阵为Q，V(k)为观测噪声相应的方差阵为R。

卡尔曼滤波的过程可以通过公式推导来表示，公式(1)为由k时刻的最优频率X^(k|k)去预测k+1时刻系统的状态，式(2)为由上一次的误差协方差P(k|k)和过程噪声Q预测新的误差来推导的预测协方差，式(3)为k+1时刻的卡尔曼增益，式(4)为利用测量值更新k+1时刻最优估计值，式(5)为更新的k+1时刻误差协方差。

P(k+1|k)＝ΦP(k|k)Φ^T+ΓQΓ^T 式(2)