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基本信息
- 項(xiàng)目名稱：
- 超小型銣原子頻標(biāo)與頻率穩(wěn)定度測(cè)量系統(tǒng)的研制
- 來(lái)源：
- 第十二屆“挑戰(zhàn)杯”作品
- 小類：
- 信息技術(shù)
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡(jiǎn)介：
- 作品首先闡述了銣原子頻標(biāo)及時(shí)頻測(cè)量系統(tǒng)的基本原理。在分析各部件對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度的影響的基礎(chǔ)上，對(duì)銣原子頻標(biāo)及頻率測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了討論。設(shè)計(jì)并制作出用于原子頻標(biāo)的恒溫壓控晶振、DDS合成源、調(diào)相電路、晶體管及階躍二極管倍頻電路、伺服電路；用于測(cè)量系統(tǒng)的倍頻、混頻、整形濾波、及嵌入式系統(tǒng)等。通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)組合與互補(bǔ)的銣原子頻標(biāo)系統(tǒng)及頻率穩(wěn)定度測(cè)量系統(tǒng)。
- 詳細(xì)介紹：
- 在高度穩(wěn)定的被動(dòng)型原子頻標(biāo)的物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上分析各部件對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度的影響，設(shè)計(jì)出高精度的恒溫控制的壓控石英振蕩器、DDS頻率源、調(diào)相電路、晶體管及階躍二極管倍頻電路、伺服電路等，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)組合與互補(bǔ)的銣原子頻標(biāo)系統(tǒng)。然后將頻標(biāo)信號(hào)送入頻率穩(wěn)定度測(cè)量系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，通過(guò)倍頻、混頻、濾波、比較與整形等電路的整合，可采取阿倫方差、哈達(dá)瑪方差的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)輸入待測(cè)信號(hào)的頻率穩(wěn)定度指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)測(cè)量，并通過(guò)嵌入式系統(tǒng)與微機(jī)的通信，將嵌入式系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)處理，圖形化顯示出所采集的實(shí)時(shí)頻率值、頻率不穩(wěn)定度的統(tǒng)計(jì)值。并方便網(wǎng)絡(luò)傳輸與遠(yuǎn)程監(jiān)控與處理。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)
- 目的：北斗衛(wèi)星系統(tǒng)研究員譚述森表示，與廣為接受的美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，北斗在未來(lái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用上主要存在三大難點(diǎn)，其中最重要的就是如何保持衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度，其解決方案就是在衛(wèi)星上配備高穩(wěn)定性、高精度的原子鐘。然而，在原子鐘的指標(biāo)上，我國(guó)和美國(guó)還存在一定的差距，因此需要加大這方面的自主研發(fā)。我們的目標(biāo)是先研制一般指標(biāo)的商用銣原子鐘，為今后研制高端應(yīng)用的高指標(biāo)銣原子鐘打下基礎(chǔ)。 基本思路：在高度穩(wěn)定的原子頻標(biāo)的物理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，分析各部件對(duì)系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度的影響，設(shè)計(jì)出高精度的恒溫控制的壓控晶體振蕩器、DDS頻率源、調(diào)相電路、倍頻電路等，優(yōu)化了電路設(shè)計(jì)和參數(shù)選擇，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)組合與互補(bǔ)的銣原子頻標(biāo)系統(tǒng)。然后將頻標(biāo)信號(hào)送入頻率穩(wěn)定度測(cè)量系統(tǒng)作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)鐘源，通過(guò)倍頻、混頻、濾波、比較及DDS等電路，可對(duì)輸入信號(hào)的頻率穩(wěn)定度進(jìn)行測(cè)量并通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行控制及圖形化顯示。創(chuàng)新點(diǎn)：1、通過(guò)非整數(shù)恒溫壓控晶振實(shí)現(xiàn)精確且連續(xù)可調(diào)的頻率分辨率；2、實(shí)現(xiàn)無(wú)頻率綜合器及高效倍頻電路，提高頻譜純度；3、具有高精度雙模式的時(shí)域頻率穩(wěn)定度測(cè)量系統(tǒng)。技術(shù)關(guān)鍵：1、實(shí)現(xiàn)將物理系統(tǒng)優(yōu)良的長(zhǎng)期頻率穩(wěn)定度與準(zhǔn)確度無(wú)誤差的傳遞給壓控石英晶體振蕩器，并使壓控石英晶體振蕩器良好的短期穩(wěn)定度得以保持，實(shí)現(xiàn)頻標(biāo)長(zhǎng)、短穩(wěn)兼優(yōu)。2、實(shí)現(xiàn)無(wú)頻率綜合器的高精度伺服控制電路及高穩(wěn)定的低噪聲倍頻電路。3、高精度雙模式的頻標(biāo)比對(duì)與測(cè)量系統(tǒng)。銣原子鐘主要技術(shù)指標(biāo)：短期穩(wěn)定度:1E-11/1s;6E-12/10s;2E-12/100s。
科學(xué)性、先進(jìn)性
- 本系統(tǒng)中的原子頻標(biāo)整機(jī)由于采用了非整數(shù)壓控晶體振蕩器，實(shí)現(xiàn)無(wú)頻率綜合器的高精度伺服控制電路及高穩(wěn)定的低噪聲倍頻電路，其性能達(dá)到國(guó)內(nèi)同類型商業(yè)銣原子鐘的先進(jìn)指標(biāo)，更好的性價(jià)比和可靠性。同時(shí)進(jìn)一步減小了體積、重量、功耗，提高了長(zhǎng)期穩(wěn)定度、相位噪聲、漂移等被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)的綜合性能，具有很突出的先進(jìn)性。雙模式頻標(biāo)比對(duì)頻率穩(wěn)定度測(cè)量系統(tǒng)，綜合了頻差倍增法及差拍法兩種測(cè)量模式，與國(guó)內(nèi)同類型的頻標(biāo)比對(duì)測(cè)量系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)中直接數(shù)字頻率合成器的應(yīng)用，可對(duì)10KHz-100MHz頻率范圍內(nèi)的任意頻點(diǎn)進(jìn)行差拍及濾波整形處理，完成時(shí)域頻率穩(wěn)定度測(cè)量。1PPS處理方便頻標(biāo)信號(hào)的同步。這些功能大大提高了測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)用范圍，具有明顯的先進(jìn)性。另外嵌入式與PC機(jī)的互連，由微型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與圖形化顯示，增強(qiáng)了本測(cè)量系統(tǒng)的智能功能，網(wǎng)絡(luò)傳輸與處理功能方便了遠(yuǎn)程監(jiān)控與網(wǎng)絡(luò)管理，進(jìn)一步提高了作品的先進(jìn)性。
獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果
- 湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學(xué)生課外學(xué)術(shù)科技作品競(jìng)賽特等獎(jiǎng)
作品所處階段
- 中試階段
技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式
- 有償轉(zhuǎn)讓
作品可展示的形式
- 實(shí)物、產(chǎn)品、圖紙、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品
使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)
- 技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)： 實(shí)現(xiàn)無(wú)頻率綜合器的伺服控制電路；將量子系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度轉(zhuǎn)移給非整數(shù)恒溫壓控晶振，實(shí)現(xiàn)精確且連續(xù)可調(diào)的頻率分辨率；高效倍頻電路提高頻譜純度；雙DDS可方便設(shè)置輸出頻率。具有高精度雙模式的時(shí)域頻率穩(wěn)定度測(cè)量系統(tǒng)。將嵌入式系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)上傳給PC機(jī)處理，圖形化顯示出所采集的實(shí)時(shí)頻率值、頻率不穩(wěn)定度的統(tǒng)計(jì)值。適用范圍： 1.作為時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)用來(lái)計(jì)頻授時(shí)；2.在數(shù)字通信中將作為高精密時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)源；3.減災(zāi)預(yù)報(bào)，如氣象、地震、水文等；4.供電網(wǎng)運(yùn)行的監(jiān)測(cè)。推廣前景：人類社會(huì)信息化程度的快速發(fā)展和提升對(duì)信息傳輸和處理的要求越來(lái)越高，從而對(duì)高準(zhǔn)確度的時(shí)頻基準(zhǔn)和更高精度的測(cè)量技術(shù)也提出了新的要求。小型化銣原子頻標(biāo)是商業(yè)化時(shí)間頻率測(cè)量系統(tǒng)的發(fā)展方向。調(diào)查分析結(jié)果顯示，一臺(tái)銣原子鐘售價(jià)可高達(dá)18000元。本產(chǎn)品批量生產(chǎn)的材料成本約2800元，綜合生產(chǎn)過(guò)程中的費(fèi)用和使用壽命，性價(jià)比遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國(guó)內(nèi)同等產(chǎn)品。相信本產(chǎn)品的推廣及產(chǎn)業(yè)化將在一定程度上促進(jìn)我國(guó)原子頻標(biāo)及其頻標(biāo)比對(duì)及測(cè)量裝置的發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 近年來(lái)，對(duì)于被動(dòng)型銣原子頻標(biāo)的研究工作主要針對(duì)提高其穩(wěn)定度指標(biāo)和小型化而進(jìn)行的。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)時(shí)頻源的穩(wěn)定度指標(biāo)要求越來(lái)越高。美國(guó)的Synunetrieom公司、FEI公司、Stanford大學(xué)、英國(guó)的Quartzloek公司、法國(guó)的Spectratime公司和以色列AccuBeat ltd公司等，均在實(shí)驗(yàn)室研究的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)化推出了自己的產(chǎn)品并繼續(xù)在該領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，持續(xù)改善產(chǎn)品各方面性能，以進(jìn)一步滿足軍、民領(lǐng)域?qū)Ρ粍?dòng)型小型化銣原子頻標(biāo)更高性能指標(biāo)的要求。北斗衛(wèi)星系統(tǒng)研究員譚述森就表示，與現(xiàn)有世界上被廣泛使用的美國(guó)GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)相比，我國(guó)的北斗系統(tǒng)在未來(lái)的設(shè)計(jì)應(yīng)用上主要存在三大挑戰(zhàn)，其中最重要的就是如何保持衛(wèi)星導(dǎo)航的高精度，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題的解決方案則就是在衛(wèi)星上配備高穩(wěn)定性、高精度的原子鐘。然而，在原子鐘的技術(shù)精度和穩(wěn)定性上，我國(guó)和美國(guó)還存在一定的差距，因此需要加大投入進(jìn)行這方面的自主研發(fā)。從原子頻標(biāo)的應(yīng)用可以看出，原子頻標(biāo)在國(guó)防和民用領(lǐng)域都具有極高的價(jià)值?，F(xiàn)在美國(guó)只對(duì)我國(guó)開(kāi)放低端的商用銫鐘、銣鐘，對(duì)于高端的產(chǎn)品，特殊用途的產(chǎn)品（例如用于星載或彈載的原子鐘）則采取非常嚴(yán)格的禁運(yùn)，所以我國(guó)必須走自主研制、自主開(kāi)發(fā)的道路。從我國(guó)對(duì)原子鐘的需求看，在通信、電力、導(dǎo)航、航空航天、電子行業(yè)、儀器儀表、國(guó)防軍工、計(jì)量和天文等領(lǐng)域需要大量民用的原子鐘，衛(wèi)星定位系統(tǒng)需要高性能的星載鐘，而地面站原子鐘的性能也有待進(jìn)一步提高。此外，我國(guó)未來(lái)的空間實(shí)驗(yàn)室也需要研制高性能的空間原子鐘。總而言之，我國(guó)對(duì)各個(gè)層面的原子鐘都有非常迫切的需求。離開(kāi)了精密的時(shí)間同步，大容量的高速信息傳遞的實(shí)現(xiàn)將是非常困難的。當(dāng)前國(guó)內(nèi)研制小型銣原子頻標(biāo)的單位主要有航天部二院203研究所、武漢物理研究所、武漢中科時(shí)潤(rùn)頻標(biāo)技術(shù)有限公司和四川天奧星華時(shí)頻技術(shù)有限公司。航天部二院203研究所、武漢物理研究所主要研究星載銣原子頻標(biāo)。四川天奧星華時(shí)頻技術(shù)有限公司主要生產(chǎn)軍用和部分民用銣原子頻標(biāo)產(chǎn)品。而武漢中科時(shí)潤(rùn)頻標(biāo)技術(shù)有限公司為武漢物理研究所控股的公司，主要生產(chǎn)民用銣原子頻標(biāo)。而本設(shè)計(jì)的作品在性能上能夠與上述公司相應(yīng)民用原子頻標(biāo)產(chǎn)品接近，但成本更低，適合商用及實(shí)驗(yàn)室儀器等的應(yīng)用，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值和推廣前景。
