氢原子钟

摘要： 随着天文技术的发展,小型化天文卫星成为天文领域的研究热点。作为天文卫星核心部件的氢原子钟,轻量化也势在必行。目前,氢原子钟使用的吸附泵为多孔钛材料,它的氢容量小,体积大,激活温度高,无法满足氢原子钟小型化、轻量化的要求。研究了具有大储氢容量的Zr-V-Fe-Cr新型吸氢合金,并利用X射线衍射仪(X-Ray Diffraction,XRD)、扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope,SEM)、储氢性能测试平台等进行了测试。结果表明,新型合金Zr-V-Fe-Cr的吸氢容量高于多孔钛,且吸氢性能满足使用要求。为氢原子钟的氢源系统轻量化提供了新的选择,有望应用于下一代轻量化氢原子钟。

摘要： 甚长基线干涉测量(Very Long Baseline Interferometry,VLBI)观测站的氢原子钟和时间比对系统(简称时频系统)为测站提供稳定可靠的时间和频率基准,系统信号的质量直接影响观测数据的质量。其中,氢原子钟是时频系统的关键设备,一旦出现故障,对数据的破坏是致命的。因此,时频系统在设计建设之初就对氢原子钟及周边各参数状态进行实时监测并记录保存,一旦发现异常,技术人员需要快速进行处理。中国VLBI网(Chinese VLBI Network,CVN)建成至今,目前共有5个测站,每个测站的时频系统配有两台或以上氢原子钟,系统长期运行积累了大量数据。通过对这些数据的分析,我们可以研究氢原子钟状态变化、性能变化及环境变化之间关系,然后建立故障预测模型,从而对设备故障进行预测。描述创建时频系统数据仓库,利用数据挖掘技术预测系统故障的测试过程,从测试结果可知,聚类模型能够成功预测系统故障。

摘要： 采用发射光谱法对氢原子钟电离泡内氢等离子体进行了诊断,选取电离泡的不同位置点,分析了电离源线圈电压、频率、氢气流量等参数与电离泡内氢特征峰的光谱强度及氢钟振荡信号强度的关系。结果表明,电离泡内氢等离子体主要呈现H_(α)、H_(β)、H_(γ)三个特征峰,且光强依次减弱,随电离源参数的变化规律基本相同。电离泡顶部中心点光强最强,与侧面相差不大,且其顶部光强由中心延径向减小。电离泡光强与氢钟振荡信号均可使氢钟正常工作时,电离源参数和控制氢气流量的镍提纯器电流针对现有设计均给出了最优参考值,控制一定范围内电离源频率的可调电容状态对光强与振荡信号均无影响。

摘要： 日前,梦天实验舱发射成功,举国上下一片沸腾。此次发射任务中,航天科工203所研发的空间主动型氢原子钟和频标比对器首次进入空间站执行实验任务,为构建空间站高精度时间频率基准发挥重要作用。空间主动型氢钟装载于梦天舱高精度时频柜中,是时频柜系统中的核心载荷,为空间时间频率系统提供基础时间频率信号,同时为小型化主动型氢钟在未来卫星平台上的应用打下坚实的基础。

摘要： 针对中国新一代卫星导航系统的高精度定位要求,星载氢原子钟以极其优异的长期稳定性、漂移率以及温度特性,作为频率基准大规模应用于该系统.双频方案的被动型星载氢原子钟由物理部分及电路部分两大部分组成,微波激励信号对物理部分微波腔激励后产生了腔频误差信号及高稳晶振误差信号.对于如何提取并处理这两种误差信号,提出了一种对调幅信号包络检波并以误差信号与探测信号时序同步的分离方案,同时对晶振误差信号采样保持实现氢钟锁定遥测参数下传.

摘要： 时频系统监测参数多,结构复杂,数据处理环节多,故障排查困难.本文首先介绍了典型时频系统结构及故障诊断难点,深入研究了网络嗅探诊断技术,提出了时频故障排查方法和基于网络嗅探器的数据故障排查方法,设计了基于网络嗅探技术的时频故障诊断软件,最后分析了该方法在某时频系统中的故障诊断应用.

摘要： 针对目前对国产氢原子钟性能评估,尤其是对国产氢钟长期在线运行性能评估相对缺乏的问题,提出1种氢钟性能评估方法:以上海天文台研制的国产SOHM-4型氢钟为例,基于连续相位比,对数据对其性能进行评估;通过分析由频率准确度、频率漂移率和频率稳定度指标组成的评估模型,达到对国产氢钟长期在线运行性能精确评估的目的.结果表明,在长达2 a多的连续运行中,国产SOHM-4型氢钟的频率准确度基本优于5×10-13、频率漂移率优于1×10-14/d,且线性关系不明显,频率稳定度在±2.5°C温差环境影响下,以天稳计算,大概率处于1×10-14～2×10-14之间.

摘要： 氢原子钟作为一种精密的授时守时仪器,在科学研究与工程应用中发挥着重要作用,目前,我国原子钟还存在设备故障、可靠性差等问题.为了简化技术人员排查流程,提升维修效率,提出了一种采用机器学习算法,将氢钟历史运行数据作为训练样本,结合DBSCAN及人工神经网络算法得到氢钟诊断模型,从而大幅简化故障排查过程的方法.实验中将训练好的模型部署到嵌入式设备上,并把实时预判结果给技术人员作为参考,证实了这种方法的可行性及有效性.

摘要： 为满足VLBI等高精度空间测量技术对时间频率稳定度和准确度提出的更高要求,深空测控系统都配置了高性能的氢原子钟.但由于部件老化、 环境变化等影响,氢原子钟输出频率会发生漂移变化,需要对此频移进行校准;同时备份原子钟需要追踪并保持与主钟的输出相位一致,必须进行相位的无损切换才能保障时频信号的连续性.分析了氢原子钟的工作原理和调频移相技术,设计了一种氢钟追踪外部授时系统进行频率漂移校准、 主备钟相位无损切换的工程实施方法.应用结果表明,72 h测试时间内,与GPS相比,氢钟的稳定度由原来1.1×10-13提高到3.2×10-14,主备氢钟相位差由原来1.03o减小至0.08o,满足了VLBI长时间高精度测量的精度需求.

摘要： 对于氢原子钟,由于微波谐振腔的腔牵引效应以及外部环境温度的变化,影响谐振腔的振荡频率,导致氢原子钟长期频率稳定度降低.为了修正这种情况,使用腔自动调谐方式实现谐振腔的频率稳定在工作频率上.目前国内外主要采用的腔自动调谐技术包括3种:外部探测信号调谐方式、微波腔频率开关调谐方式和Qa调制方式.对外部探测信号调谐方式和微波腔频率开关调谐方式进行分析,并在上海天文台SOHM-4型外部探测信号调谐方式的基础上进一步探索微波腔频率开关调谐方式.基于数字信号处理器进行电路设计与程序开发,最终在SOHM-4型氢原子钟上实现腔自动调谐.

摘要： 氢原子钟在我国测量测试系统以及科研领域都发挥着重要作用,因而对氢原子钟的可靠性也提出了更高的要求.本文从氢原子钟的原理及其结构出发,依据其系统模块深入剖析了原子钟的故障模式与影响分析,并给出了氢原子钟系统的部分FMEA结果.

摘要： 随着现代化军事战争对卫星导航定位的迫切需求和国民经济对导航定位的日趋依赖,卫星导航定位已成为现代社会不可或缺的重要组成部分.然而我们的北斗卫星导航系统并非一流,专家称北斗一期面临两大难题,一是难以在全球布设监测站,二是原子钟技术发展相对滞后.从这里可以看出卫星导航系统的核心时频基准即原子针的重要性.本文通过组建含故障诊断专家系统的上位机系统，并提高下位机硬件的集成度、性能和自动化程度，可及时、智能地诊断出氢原子钟发生故障的部位和原因并给出相应的解决方案，从而大大提高氢原子钟的可靠性。

摘要： 国产氢原子钟在性能指标上已基本能与国外同类产品相媲美,但可靠性较差.延长氢原子钟的无故障运行时间,关键技术在于:根除氢原子钟长期运行时溅射离子泵的打火问题,以及开发出针对易发性故障设计的远程监控氢原子钟故障诊断专家系统.通过进一步分析溅射离子泵抽氢机理及阴极材料;搭建性能更稳定的硬件电路;编写功能更完善软件平台;使氢原子钟在稳定性、可靠性方面得到改善,使氢钟在地面守时、空间星载钟等诸多领域发挥更大的时、频基准作用.

摘要： 超外差接收机是将氢脉泽信号转换为标准时间频率接口信号的重要微波系统，其设计直接关系到氢原子钟输出信号的性能。详细论述了新型氢原子钟超外差接收机的结构、设计过程和设计方法，并给出系统性能测试结果。

摘要： 轻量化是被动型氢原子钟的一个重要发展趋势，本文主要介绍了被动型氢原子钟的轻量化实验方案，主要围绕微波腔、磁屏蔽系统以及吸附泵三个方面进行，并对实验后物理性能进行测试，通过实验得到了验证。

摘要： 研究了利用脉冲微波激励原子发生Ramsey干涉这一原理在被动型氢原子钟上的适用性，获得了Ramsey干涉条纹，并成功将氢原子跃迁谱线宽度压缩至1.2Hz，相对同等条件下的传统被动型氢原子钟压缩了60%。后期准备搭建伺服电路，构成完整的闭合控制环路，优化脉冲和系统参数，提高被动氢原子钟的稳定度性能。

摘要： 上海天文台研制的SOHM-4主动型氢原子钟广泛应用于基础科学研究和国防科研等诸多重要领域。本文详细介绍了上海天文台SOHM-4型氢原子钟的应用领域，并对关键技术的改进进行详细论证。

摘要： 星载原子钟作为导航信号生成和系统测距的时间基准,为导航系统提供精确稳定的频率源,是卫星导航系统有效载荷的核心部件,其性能直接决定导航系统的导航定位精度,是导航卫星的基础.氢钟因其具有较好的天漂移率,逐渐被应用至导航卫星,北斗二号二期IGSO试验星采用氢钟作为星载原子钟.氢原子钟的频率稳定度、频率准确度与环境温度密切相关,导航卫星在轨飞行时,氢原子钟正常工作的环境温度会随着在轨位置、姿态等变化,从而影响氢原子钟的工作状态.rn 本文介绍了环境温度对氢钟性能的影响,重点分析了北斗二号IGSO试验星氢钟辐射器在光照期和地影期的温度变化,为后续导航卫星氢钟在轨管理提供参考和依据.通过分析，可以看出自氢钟在轨使用以来，无论在光照期还是地影期，氢钟微波腔中部温度的波动范围大约都在51±0.6°C ,最大不超过51±1.20°C可见，北斗二号IGSO试验星采用的氢钟微波腔内部温度控制非常精准，能够保证氢钟的频率准确度和稳定度不因温度因素而出现性能下降，从而保证IGSO试验星的在轨正常运行和导航定位精度。后续将持续关注氢钟在轨期间的温度参数，做好分析研究，为导航卫星氢钟在轨管理提供参考和依据。

摘要： 精确统一的时间频率基准是卫星导航定位系统维持运行的基础,而原子钟因为其优越的频率特性成为高精度守时系统的首选频率源,目前我国的守时系统中主要以氢原子钟为频率源.卫星导航定位系统因为连续不间断服务的特性对其时间频率子系统提出了更高的稳定性和持续性需求.但是氢钟在长期运行过程中发生频率跳变在所难免,一旦发生跳频,尤其是主钟发生跳频,则必然影响到输出时间频率的稳定性,如果跳频没有被及时发现,可能造成更严重的后果.本文在原子钟时间模型和噪声模型分析的基础上,利用仿真实验探索研究基于时差比对数据的氢钟跳频检测算法,并进一步对算法的时效性和可信性进行了分析.基于此算法提出氢钟跳频检测反馈机制,将此机制运用到守时系统中,可以提高守时系统针对氢钟跳频异常的健壮性,对于卫星导航定位系统的时间频率子系统维护有切实指导意义.

摘要： 锁定在氢原子钟基准频率(10MHz)上的光学频率梳,利用密集波分复用技术,可以在单根实际光纤中实现往返传输.南单片机测得因链路抖动引进的相位噪声,并将相位噪声信息通过光传输模块传递给远端.在远端,根据相位噪声信息,对从光学频率梳中恢复的射频频率进行补偿,即可实现高精度的频率传递.实验系统先后在长距离(120公里)及短距离(16公里)实际光纤链路中完成测试.在长距离高精度频率传递系统中,频率稳定度可达到1.11×10-15/s;在短距离高精度频率传递系统中,频率稳定度均可达到8.80×10-16/s.

摘要： 本发明提供了一种基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法，用以解决现有技术中由于对氢原子钟频率漂移计算误差而导致的地方原子时标长期稳定度及准确度不高的问题。所述地方原子时生成方法采集各台原子钟与主钟的钟差数据和主钟相对于铯喷泉钟的频率差值；再读取钟差数据与频率差值，基于时间尺度算法计算各台原子钟相对于铯喷泉钟的频率差值，计算各台原子钟的非相关频率漂移，并进一步计算基于铯喷泉钟的时间尺度及地方原子时。本发明采用非相关抵偿，计算结果中不存在频率漂移，结合氢原子钟短期稳定度与铯原子喷泉钟长期稳定度的双重优点，使生成的时间尺度同时具备短期稳定度与长期稳定度。

摘要： 一种基于改进型BP神经网络的氢原子钟钟差预测方法，本方法根据氢原子钟钟差特性、地面原子钟钟差数据与卫星钟钟差数据以及与日长数据的相似性，在卫星钟差小波神经网络预测算法和小波神经网络对日长预报算法中BP神经网络算法思想基础上，针对BP神经网络算法的不足，运用SVM算法中的预测惩罚模型，提出了基于改进BP神经网络算法对氢原子钟钟差数据进行预测方法。通过增加惩罚性措施来提高预测精度，来修正下一步预测值；使用限制预测数据变化幅度的措施来提高预测数据的稳定性和预测精度。该方法与现行的SVM预测算法和线性回归预测算法相比，其氢钟中差预测精度有明显提高，为提高氢原子钟的原子时标和驾驭精度提供了更高的依据。

摘要： 本发明提供了一种基于铯喷泉钟和氢原子钟组的地方原子时生成方法，用以解决现有技术中由于对氢原子钟频率漂移计算误差而导致的地方原子时标长期稳定度及准确度不高的问题。所述地方原子时生成方法采集各台原子钟与主钟的钟差数据和主钟相对于铯喷泉钟的频率差值；再读取钟差数据与频率差值，基于时间尺度算法计算各台原子钟相对于铯喷泉钟的频率差值，计算各台原子钟的非相关频率漂移，并进一步计算基于铯喷泉钟的时间尺度及地方原子时。本发明采用非相关抵偿，计算结果中不存在频率漂移，结合氢原子钟短期稳定度与铯原子喷泉钟长期稳定度的双重优点，使生成的时间尺度同时具备短期稳定度与长期稳定度。

摘要： 本发明提供了一种基于氢原子钟漂移情况选择钟差预报的方法，其特征在于包括以下步骤：依据氢原子钟的不同漂移情况选择不同预报模型，当氢原子钟漂移量小于等于设定阈值时，钟差预报采用灰色GM(1,1)模型预报；当氢原子钟漂移量大于设定阈值时，钟差预报采用GM(1,1)和PM2组合模型，组合方式采用归一化等权；所述的归一化等权组合预报模型是将GM(1,1)和PM2预报模型的预报结果给予相同的权重，并加以归一化限制，最终加权求和得出最终预报结果。本发明能够提升氢原子钟预报精度，提升时间尺度长期稳定度。

摘要： 一种基于改进型BP神经网络的氢原子钟钟差预测方法，本方法根据氢原子钟钟差特性、地面原子钟钟差数据与卫星钟钟差数据以及与日长数据的相似性，在卫星钟差小波神经网络预测算法和小波神经网络对日长预报算法中BP神经网络算法思想基础上，针对BP神经网络算法的不足，运用SVM算法中的预测惩罚模型，提出了基于改进BP神经网络算法对氢原子钟钟差数据进行预测方法。通过增加惩罚性措施来提高预测精度，来修正下一步预测值；使用限制预测数据变化幅度的措施来提高预测数据的稳定性和预测精度。该方法与现行的SVM预测算法和线性回归预测算法相比，其氢钟中差预测精度有明显提高，为提高氢原子钟的原子时标和驾驭精度提供了更高的依据。

摘要： 本发明涉及一种氢原子钟原子弛豫时间测量系统，包括：控制模块，TTL信号产生模块、微波信号产生模块和微波信号接收模块，控制模块分别与TTL信号产生模块、微波信号产生模块和微波信号接收模块电连接或通信连接，TTL信号产生模块通过数字继电器与氢原子钟的电离源电连接，微波信号产生模块和微波信号接收模块分别与氢原子钟的微波谐振腔电连接。本发明的氢原子钟原子弛豫时间测量系统，通过控制模块的控制TTL信号产生模块和微波信号产生模块，无需通过混频器、滤波器和检波电路即可实现电离源和脉冲微波探寻信号的时序控制，因此不会受到电离源的信号干扰，测量更简单精确；直接采集氢原子辐射的微波信号的功率值，减少了计算过程。

摘要： 本申请公开了一种基于氢原子钟漂移预测的原子时计算方法和装置，该方法包括：从数据库中获取历史上的钟差数据；根据各台原子钟的钟差数据得到组合钟和参考钟之间的钟差初始值和各台钟与组合钟之间的钟差初始；根据所述钟差数据以及各台钟和组合钟之间的漂移值进行时间函数拟合得到随时间变化的频差漂移预测值；根据所述随时间变化的频差漂移预测值对所述组合钟的氢原子钟引入的频差漂移值进行扣除，得到原子时标。通过本申请解决了在基于氢原子钟的原子时标计算中存在的长时间频率漂移的问题，从而可以值在原子时标计算过程中实现实时原子钟的频漂实时更新，使得漂移项得到精确扣除，最终获得同时具备短期稳定度和长期稳定度的原子时标。

摘要： 本申请公开了氢原子钟原子囚禁‑储存时间调节装置、验证方法及系统，包括氢原子钟，还包括可伸缩的调节机构，调节机构与氢原子钟的泡口连通设置。验证方法包括：基于原子储存时间Tb调节L/a的比值；L为氢原子钟中原子储存泡出入口的长度，a为原子储存泡出入口的半径。验证系统，包括调节装置、参考型氢原子钟、频率比对器及终端，调节装置、参考型氢原子钟分别与频率比对器电连接，频率比对器还与终端电连接。本申请在保持原子储存泡体积不变小的情况下，不改变氢原子激射器的腔泡结构特性和物理状态，设计了连续可调节阀机构，实现原子储存时间的连续可调设计，测试验证合理的原子储存时间，使氢原子钟的中长期频率稳定度达到最优。

摘要： 本发明提供一种氢原子钟的原子态选态系统，包括在一水平轴上依次布置的准直器、第一选态磁铁、原子布居转移装置、第二选态磁铁和原子存储泡；原子布居转移装置包括一个磁屏蔽器，在该磁屏蔽器内部邻近第一选态磁铁的一端和邻近第二选态磁铁的一端分别设有尺寸相同且中心轴线与所述水平轴重合的第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈，第一亥姆霍兹线圈和第二亥姆霍兹线圈上具有大小相同且流动方向相反的电流。本发明采用两个选态装置和一个原子布居转移装置，实现了氢原子的单态选择，以避免增加有效原子的碰撞驰豫，从而通过改善进入氢原子钟的原子储存泡内原子束流的纯度，提高氢原子钟的自激振荡的频率稳定度。

摘要： 本发明提供了一种氢原子钟频率驾驭系统，包括主钟系统、共视比对接收机和中心服务器；所述主钟系统包括氢原子钟和相位微调器，氢原子钟将时间基准信号输入到相位微调器进行处理；相位微调器将处理后形成1PPS信号，并将1PPS信号输入到共视比对接收机；共视比对接收机通过天线接收卫星信号，并将1PPS信号和卫星信号进行比对，形成共视比对数据文件；主钟系统通过相位微调器将共视比对数据文件通过网络发送给中心服务器，中心服务器对共视比对数据文件进行处理，将反馈调整量返回至相位微调器，完成氢原子钟频率驾驭。