[发明专利]一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于原子钟领域，具体涉及一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法还涉及一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置，适用于被动型CPT原子钟。

背景技术

被动型CPT原子钟是基于相干双色光与原子相互作用产生的CPT共振现象而实现的一种原子钟，由于其功耗和体积上的明显优势而得到迅速发展。被动型CPT原子钟主要由物理系统、微波系统、伺服系统和温控系统四部分组成。物理系统是被动型CPT原子钟的核心部件，主要由原子蒸汽泡、VCSEL、光电探测器等组成。将物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL温度控制得越稳定，物理系统进而原子钟工作性能越好。特别是将温度长期起伏控制在尽量小的范围是获得被动型CPT原子钟优秀中、长期频率稳定度指标的重要条件。我们研制的被动型CPT原子钟的物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL工作于不同温度，需要分别进行控温。其中原子蒸汽泡需要通过加热控温于较高温度，保证足够工作原子与激光相互作用获得高质量CPT鉴频信号；而VCSEL需要在比所处物理系统的温度低时才能提供所需波长的激光，因此需要通过制冷控温于较低温度。另外，由于所使用的VCSEL输出波长随温度变化非常明显，对VCSEL的控温精度需要比原子蒸汽泡高一到两个量级才能保持输出波长的稳定。

目前已有多种温控系统方案应用于原子钟，通过模拟电路实现的温控系统功耗和体积较大且不容易调节，不适合应用于小体积、低功耗的被动型CPT原子钟，常用的数字温控电路存在控制参数难以调节、采集的信号信噪比低导致控温精度不高等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法。该方法利用基于LabVIEW开发平台的上位机与被动型CPT原子钟进行全双工通信，实现了对被动型CPT原子钟的物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL温度控制参数的自整定。

本发明的另一目的在于提供了一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定装置。该装置能对被动型CPT原子钟的物理系统中原子蒸汽泡和VCSEL温度进行有效地控制，并在环境温度变化和噪声等因素影响下，通过基于LabVIEW开发平台的上位机对温控参数进行自整定。该装置精度高，功耗低，满足被动型CPT原子钟对高精度和低功耗的要求，且极大地节省了温控调试时的人力资源，非常有利于被动型CPT原子钟的产品化。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种被动型CPT原子钟的温控参数自整定方法，包括以下步骤：

步骤1、采集原子蒸汽泡和VCSEL的温度信息，并转换成对应的数字温度信息传递到微控制器；

步骤2、微控制器对原子蒸汽泡和VCSEL的数字温度信息进行滤波处理；

步骤3、计算经过滤波处理后的原子蒸汽泡的数字温度信息与原子蒸汽泡温度设置点所对应的数字量的差值，对该差值进行PID运算，对PID运算后的结果进行PWM和Δ-Σ调制，利用PWM和Δ-Σ调制后的结果控制加热丝进行加热；计算经过滤波处理后的VCSEL的数字温度信息与VCSEL温度设置点所对应的数字量的差值，对该差值进行PID运算，对PID运算后的结果进行PWM和Δ-Σ调制，利用PWM和Δ-Σ调制后的结果控制TEC进行制冷；

步骤4、对原子蒸汽泡的温控PID参数值进行自整定；对VCSEL的温控PID参数值进行自整定。

如上所述的步骤1包括以下步骤：

步骤1.1、将第一热敏电阻设置于原子蒸汽泡处，将第二热敏电阻设置在VCSEL处；

步骤1.2、将第一热敏电阻采集的信息依次通过第一惠斯通电桥和第一仪表放大器传送到模数转换器进行转换后得到原子蒸汽泡的数字温度信息；将第二热敏电阻采集的信息依次通过第二惠斯通电桥和第二仪表放大器传送到模数转换器进行转换后得到VCSEL的数字温度信息；

步骤1.3、模数转换器将原子蒸汽泡的数字温度信息和VCSEL的数字温度信息传送到微控制器。

如上所述的步骤2中的滤波处理是基于卡尔曼滤波。

如上所述的步骤4中的对原子蒸汽泡的温控PID参数值进行自整定包括以下步骤：

步骤4.1、基于LabVIEW开发平台的上位机判断能否采集到反映原子蒸汽泡温度变化的数据，若能，则以波形图的形式进行跟踪显示，并进入步骤4.2；若不能，则等待直至超时，并输出错误提示，结束自整定；