被动型氢钟频率稳定度与频率漂移特性分析.doc

被动型氢钟频率稳定度与频率漂移特性分析 李玉莹1, 2 刘铁新1 （1中国科学院院上海天文台，上海 200030； 2 中国科学院院研究生院， 北京 100049） 摘要：原子钟存在频率的漂移，这种漂移主要由内部器件造成，包括由量子结构的频率漂移、相检及运放漂移。，即阿伦偏差ADEV，表示。对于调频白噪声，阿伦方差与传统的标准方差一样；但对于更加分散的噪声像闪烁噪声类型来说，使用阿伦方差进行分析有明显的优势，因为它不依赖于样本数目，而是收敛于一个值。 2.2.2 哈德曼方差 哈德曼方差是一种基于哈德曼变换的用于时域稳定度表征的方差。它的最重要的优点是对于线性频率漂移的不灵敏，这个优点使得它对于GPS系统的铷原子钟稳定度分析尤其适用。对于频率数据其计算公式为[1]： ， （2） 与阿伦方差类似，哈德曼方差表征稳定度通常用其平方根，即哈德曼偏差HDEV，其利用Stable32对于原始数据进行两种运算,结果如表1所示 表1 阿伦方差和哈德曼方差运算结果比较 平滑时间τ/s 样本总数 m 阿伦偏差 ADEV/10-13 哈德曼偏差HDEV/10-13 10 136 210 9.489 1 9.873 8 20 68 105 5.737 2 5.740 8 40 34 052 4.029 8 4.019 8 100 13 621 2.590 5 2.592 2 200 6 810 1.817 3 1.817 0 400 3 405 1.283 5 1.285 2 1 000 1 362 0.814 00 0.809 20 2 000 681 0.587 0 0.579 77 4 000 340 0.430 00 0.415 32 10 000 136 0.329 00 0.320 48 20 000 68 0.267 00 0.257 37 40 000 64 0.245 00 0.210 78 100 000 13 0.251 00 0.219 58 200 000 6 0.278 00 0.219 39 由表1可见从τ=1 000 s哈德曼方差开始小于阿伦方差，长期稳定度较好，其对线性漂移的抑制作用更好。星载铷原子钟的长期稳定度多用此种方差表示。 3、几种常用判别原子钟噪声类型的方法 频率漂移可以根据主要噪声类型选择使用哪模型估计，因此首先需要判断原子钟的主要噪声类型。本章介绍几种常见辨别原子钟噪声类型的方法。 自上世纪六十年代以来，关于精密振荡器噪声模型的讨论已经持续了多年。虽然产生振荡器噪声的物理过程还并不十分清楚，但对噪声的基本模型已有定论。1971年，Barnes 等人在总结众多研究工作后，系统地提出了的幂律谱模型，即原子钟的噪声可看成5种内部噪声分量的线性叠加[2] ， (3) 其中，按照α的不同可以把噪声分成5种类型：α=2对应调相白噪声(WPM) ，α=1对应调相闪烁噪声(FPM)，α=0对应调频白噪声(WFM) α=-1对应调频闪烁噪声(FFM)，α=-2对应频率随机游走调频(RWFM)。 表2显示了不同噪声类型下，功率谱密度与阿伦方差的表示方法[3]。 表 2 不同噪声类型下功率谱密度与阿伦方的换算 3.1功率谱密度鉴别法 式（3）仅仅表达了噪声间的叠加关系，而它的统计特性由功率谱密度函数确定的： ， （4） 其中f为傅里叶频率，hα是表征各种噪声强度的常数。利用功率谱密度可以简单地判别噪声类型。为了得出最主要的噪声类型，假设,两边取对数，则得到谱密度噪声鉴别器[4]，如图1所示。 图1 谱密度噪声鉴别器 图2被动型氢钟谱分析 图2为原始数据的谱分析图，不使用窗函数，平均因子为1。如图2中斜率为-0.25，即α=0，最主要的噪声类型为WFM。 3.2 阿伦方差噪声鉴别法 阿伦方差与噪声类型的关系[5]： (5) A(μ)是与μ值对应的常数，与原子钟其它各因素有关，由(5)式得到阿伦偏差对数的斜率也可以确定噪声类型，图3为阿伦方差噪声鉴别器[1]。 图3 阿伦方差噪声鉴别器 图4 被动型氢钟拟合结果 图4为原始数据对lgτ和lgADEV的拟合结果。与图3对照得出，其斜率约为-0.45，最接近μ/2=-1/2。可知被动型氢钟在运行中短期，主要受WFM噪声影响而产生漂移。 该方法存在一定的局限性，对于μ=-2时无法区分调相白噪声和调相闪烁噪声，利用修正阿伦方差法可以对比改进，进行严格的区别。 3.3 B1偏离函数法 Stable32使用了B1偏离函数法作为噪声类型的判断方法，该方法的原理在参考文献[6]中