[发明专利]光钟间歇运行驾驭微波钟产生高精度时间的方法

说明书

本发明提供了一种光钟间歇运行驾驭微波钟产生高精度时间的方法，包括光钟频率下转换及与微波钟的频差测定、频差模型建立、光钟驾驭及光频原子时输出三个步骤，通过间歇性运行光钟驾驭微波钟实现连续的高精度时间尺度输出。本发明与现有时间频率系统相比，其时间精度和稳定度更高，系统更加简单。本发明具有方法简单、实用、可靠性高等优点，可在光频标中推广使用。

技术领域

本发明属于光频标技术领域，具体涉及一种产生高精度时间的方法。

背景技术

原子钟是以原子共振频率标准作为时间频率基准，其以电子转变能级时释放的精确微波或光学讯号作为钟信号，是世界上目前最准确的时间测量工具和频率标准。对于时间标准，能准确的实现定义单位的装置就叫基准标准。根据原子秒的定义，高性能指标的原子钟才可能作为时间的基准标准，即基准原子钟。

基准原子钟是具有自我评估能力的最高时间频率标准，是复现国际原子时秒长单位最为准确的原子钟。光钟是以原子的光学波段跃迁为基准的时间频率基准，以原子的光学波段跃迁作为钟频率进行精确测量作为实现手段，是目前国际上最新一代的基准原子钟。因为光学频率比微波频率高5个数量级，所以利用原子的光学跃迁频率作为时间频率标准具有比微波频率标准更高的准确度和稳定度。目前原子光钟实现的准确度和稳定度都已进入E-18量级，比目前基准钟—铯微波喷泉钟高近两个量级。鉴于光钟的超高性能，光钟已经成为高精度时间频率基准的研究热点且被寄予厚望，一方面光钟极有可能成为下一代的时间基准，重新对“秒”进行定义；另一方面将光钟作为基准钟驾驭守时钟组，不需要多台加权平均，可有效提高守时钟组的性能。但这技术面临的一个挑战是这些实验性光钟尚未长时间连续运行，这是由于光钟是一套复杂的集光、电、真空、原子系统、自动控制于一体的大型科研装置，其复杂性使得难以将整个光钟系统维持在最佳状态，导致光钟一般都是间歇性运行，很难将其纳入常规守时系统。因此，如何利用间歇性运行的光钟来产生并保持一个稳定连续的高精度时间尺度，这是光钟成为下一代时间基准所要解决的关键问题之一，也是光钟面向具体应用的难点。

目前，基本都是利用多台高精度原子钟通过驾驭尺度算法来获得一个稳定可靠的综合时间尺度，以此驾驭本地时间，用来做驾驭的参考钟或参考钟组基本都是连续运行的。守时钟组需要多台氢钟和铯钟加权平均来保持和输出时间尺度，系统庞大复杂且精度只能维持在E-15量级。利用光钟作为基准钟驾驭微波守时钟(氢钟或铯钟组)，不需要像目前采用的多台微波守时钟加权平均的方式，完全有望取代现有的采用多台微波钟组来守时或作为系统参考钟的工作模式。通过一台光钟驾驭两台或三台微波守时钟，甚至单台守时钟就能保证高精度的系统时间输出。这样可以大大地降低系统的复杂性，有效提高守时钟组的性能。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种光钟间歇运行驾驭微波钟产生高精度时间的方法，利用间歇性运行的光钟来产生并保持一个稳定连续的高精度时间尺度，提高时间精度，简化时频系统，取代现有的采用多台微波钟组来守时或作为系统参考钟的工作模式。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤：

1)将光钟输出信号的频率转换至微波频段，之后与微波钟的输出信号进行频差测定；

2)建立微波钟相对于光钟的频差模型其中，y(t)是t时刻微波钟相对于光钟的频差，t_s是模型的起始时间，是模型的常数项，k是频差模型的斜率，和k均通过拟合得到，w(t)由各种噪声和测量误差组成；

用基于过去时间T所得到的N个分数频差y_i值进行线性拟合，得到微波钟相对于光钟的频差将t_s赋值为窗口T时间内最后一次测量时刻t_N，根据上述线性拟合方程预测未来一段时间t_PMS内微波钟相对于光钟的频差；

3)通过相位微跃器实现对自由运行的微波钟输出信号的控制，将步骤2)预测的频差作为频率控制量输入到相位微跃器中，从而修正相位微跃器的实时物理信号输出。