基本信息
- 項目名稱：
- 超小型銣原子頻標與頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)的研制
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作A類
- 簡介：
- 作品首先闡述了銣原子頻標及時頻測量系統(tǒng)的基本原理。在分析各部件對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度的影響的基礎上，對銣原子頻標及頻率測量系統(tǒng)的設計方案進行了討論。設計并制作出用于原子頻標的恒溫壓控晶振、DDS合成源、調相電路、晶體管及階躍二極管倍頻電路、伺服電路；用于測量系統(tǒng)的倍頻、混頻、整形濾波、及嵌入式系統(tǒng)等。通過優(yōu)化設計，實現(xiàn)優(yōu)勢組合與互補的銣原子頻標系統(tǒng)及頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)。
- 詳細介紹：
- 在高度穩(wěn)定的被動型原子頻標的物理系統(tǒng)的基礎上分析各部件對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度的影響，設計出高精度的恒溫控制的壓控石英振蕩器、DDS頻率源、調相電路、晶體管及階躍二極管倍頻電路、伺服電路等，優(yōu)化電路設計和參數(shù)選擇，實現(xiàn)優(yōu)勢組合與互補的銣原子頻標系統(tǒng)。然后將頻標信號送入頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)作為標準時鐘源，通過倍頻、混頻、濾波、比較與整形等電路的整合，可采取阿倫方差、哈達瑪方差的統(tǒng)計方法，對輸入待測信號的頻率穩(wěn)定度指標進行比對測量，并通過嵌入式系統(tǒng)與微機的通信，將嵌入式系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)上傳給PC機處理，圖形化顯示出所采集的實時頻率值、頻率不穩(wěn)定度的統(tǒng)計值。并方便網(wǎng)絡傳輸與遠程監(jiān)控與處理。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 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GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，北斗在未來的設計應用上主要存在三大難點，其中最重要的就是如何保持衛(wèi)星導航的高精度，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，在原子鐘的指標上，我國和美國還存在一定的差距，因此需要加大這方面的自主研發(fā)。我們的目標是先研制一般指標的商用銣原子鐘，為今后研制高端應用的高指標銣原子鐘打下基礎。 基本思路：在高度穩(wěn)定的原子頻標的物理系統(tǒng)的基礎上，分析各部件對系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度的影響，設計出高精度的恒溫控制的壓控晶體振蕩器、DDS頻率源、調相電路、倍頻電路等，優(yōu)化了電路設計和參數(shù)選擇，實現(xiàn)優(yōu)勢組合與互補的銣原子頻標系統(tǒng)。然后將頻標信號送入頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)作為標準時鐘源，通過倍頻、混頻、濾波、比較及DDS等電路，可對輸入信號的頻率穩(wěn)定度進行測量并通過上位機進行控制及圖形化顯示。創(chuàng)新點：1、通過非整數(shù)恒溫壓控晶振實現(xiàn)精確且連續(xù)可調的頻率分辨率；2、實現(xiàn)無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域頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)。技術關鍵：1、實現(xiàn)將物理系統(tǒng)優(yōu)良的長期頻率穩(wěn)定度與準確度無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，實現(xiàn)頻標長、短穩(wěn)兼優(yōu)。2、實現(xiàn)無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比對與測量系統(tǒng)。銣原子鐘主要技術指標：短期穩(wěn)定度:1E-11/1s;6E-12/10s;2E-12/100s。
科學性、先進性
- 本系統(tǒng)中的原子頻標整機由于采用了非整數(shù)壓控晶體振蕩器，實現(xiàn)無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，其性能達到國內同類型商業(yè)銣原子鐘的先進指標，更好的性價比和可靠性。同時進一步減小了體積、重量、功耗，提高了長期穩(wěn)定度、相位噪聲、漂移等被動型銣原子頻標的綜合性能，具有很突出的先進性。雙模式頻標比對頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)，綜合了頻差倍增法及差拍法兩種測量模式，與國內同類型的頻標比對測量系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)中直接數(shù)字頻率合成器的應用，可對10KHz-100MHz頻率范圍內的任意頻點進行差拍及濾波整形處理，完成時域頻率穩(wěn)定度測量。1PPS處理方便頻標信號的同步。這些功能大大提高了測量系統(tǒng)的應用范圍，具有明顯的先進性。另外嵌入式與PC機的互連，由微型計算機實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理與圖形化顯示，增強了本測量系統(tǒng)的智能功能，網(wǎng)絡傳輸與處理功能方便了遠程監(jiān)控與網(wǎng)絡管理，進一步提高了作品的先進性。
獲獎情況及鑒定結果
- 湖北省第八屆“挑戰(zhàn)杯”大學生課外學術科技作品競賽特等獎
作品所處階段
- 中試階段
技術轉讓方式
- 有償轉讓
作品可展示的形式
- 實物、產品、圖紙、現(xiàn)場演示、圖片、錄像、樣品
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 技術特點和優(yōu)勢： 實現(xiàn)無頻率綜合器的伺服控制電路；將量子系統(tǒng)頻率穩(wěn)定度轉移給非整數(shù)恒溫壓控晶振，實現(xiàn)精確且連續(xù)可調的頻率分辨率；高效倍頻電路提高頻譜純度；雙DDS可方便設置輸出頻率。具有高精度雙模式的時域頻率穩(wěn)定度測量系統(tǒng)。將嵌入式系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)上傳給PC機處理，圖形化顯示出所采集的實時頻率值、頻率不穩(wěn)定度的統(tǒng)計值。適用范圍： 1.作為時間頻率標準用來計頻授時；2.在數(shù)字通信中將作為高精密時間標準源；3.減災預報，如氣象、地震、水文等；4.供電網(wǎng)運行的監(jiān)測。推廣前景：人類社會信息化程度的快速發(fā)展和提升對信息傳輸和處理的要求越來越高，從而對高準確度的時頻基準和更高精度的測量技術也提出了新的要求。小型化銣原子頻標是商業(yè)化時間頻率測量系統(tǒng)的發(fā)展方向。調查分析結果顯示，一臺銣原子鐘售價可高達18000元。本產品批量生產的材料成本約2800元，綜合生產過程中的費用和使用壽命，性價比遠遠高于國內同等產品。相信本產品的推廣及產業(yè)化將在一定程度上促進我國原子頻標及其頻標比對及測量裝置的發(fā)展。
同類課題研究水平概述
- 近年來，對于被動型銣原子頻標的研究工作主要針對提高其穩(wěn)定度指標和小型化而進行的。隨著現(xiàn)代科學技術的快速發(fā)展，對時頻源的穩(wěn)定度指標要求越來越高。美國的Synunetrieom公司、FEI公司、Stanford大學、英國的Quartzloek公司、法國的Spectratime公司和以色列AccuBeat ltd公司等，均在實驗室研究的基礎上轉化推出了自己的產品并繼續(xù)在該領域進行深入研究，持續(xù)改善產品各方面性能，以進一步滿足軍、民領域對被動型小型化銣原子頻標更高性能指標的要求。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GPS衛(wèi)星導航系統(tǒng)相比，我國的北斗系統(tǒng)在未來的設計應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)星導航的高精度，針對這個問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，在原子鐘的技術精度和穩(wěn)定性上，我國和美國還存在一定的差距，因此需要加大投入進行這方面的自主研發(fā)。從原子頻標的應用可以看出，原子頻標在國防和民用領域都具有極高的價值?，F(xiàn)在美國只對我國開放低端的商用銫鐘、銣鐘，對于高端的產品，特殊用途的產品（例如用于星載或彈載的原子鐘）則采取非常嚴格的禁運，所以我國必須走自主研制、自主開發(fā)的道路。從我國對原子鐘的需求看，在通信、電力、導航、航空航天、電子行業(yè)、儀器儀表、國防軍工、計量和天文等領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一步提高。此外，我國未來的空間實驗室也需要研制高性能的空間原子鐘。總而言之，我國對各個層面的原子鐘都有非常迫切的需求。離開了精密的時間同步，大容量的高速信息傳遞的實現(xiàn)將是非常困難的。當前國內研制小型銣原子頻標的單位主要有航天部二院203研究所、武漢物理研究所、武漢中科時潤頻標技術有限公司和四川天奧星華時頻技術有限公司。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。四川天奧星華時頻技術有限公司主要生產軍用和部分民用銣原子頻標產品。而武漢中科時潤頻標技術有限公司為武漢物理研究所控股的公司，主要生產民用銣原子頻標。而本設計的作品在性能上能夠與上述公司相應民用原子頻標產品接近，但成本更低，適合商用及實驗室儀器等的應用，具有廣泛的應用價值和推廣前景。
