原子钟运行状态监测方法和装置

技术领域

本发明涉及原子钟运行状态监测技术领域，具体地说，涉及原子钟运行状态监测方法和装置。

背景技术

在科研或者实验中，对时间的要求非常苛刻，一般的时钟无法满足科研或者实验对精度的需求，通常会使用到原子钟。

原子钟利用原子物理学的原理，原子是按照不同电子排列顺序的能量差，也就是围绕在原子核周围不同电子层的能量差，来吸收或释放电磁能量的，这里电磁能量是不连续的，当原子从一个“能量态”跃迁至低的“能量态”时，它便会释放电磁波，这种电磁波特征频率是不连续的，即共振频率。

而且很多原子钟在运行过程中，为了使运行状态保持稳定，常常会通过磁场来补偿，但是磁场只能对集成滤光共振泡系统增加其频率值，不能减小其频率值，这样，原子钟集成滤光共振泡内部长期工作于60℃-70℃恒温环境，抽运光通过时，内部原子不断发生着共振、碰撞等物理作用，这样长期工作后，有可能使集成滤光共振泡泡频发生变化，从而使原子钟无法实现正常闭环锁定，另外也不能对原子钟的运行状态进行实时监测。

发明内容

本发明的目的在于提供原子钟运行状态监测方法和装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供原子钟运行状态监测装置，包括物理系统、中央处理器、电子线路、振荡器和故障显示模块，其中：

电子线路与中央处理器连接；电子线路与物理系统连接；物理系统的输出端与中央处理器连接；中央处理器的输入端与振荡器的输出端双向连接；振荡器的输出端还与电子线路连接；中央处理器的输出端与故障显示模块连接，以对运行故障进行提示。

作为本技术方案的进一步改进，所述电子线路包括隔离放大器、综合调制电路、倍频电路和微波倍混频器，其中：

隔离放大器的输入端与所述振荡器连接；隔离放大器的输出端与倍频电路和综合调制电路连接；综合调制电路的输出端与倍频电路连接；综合调制电路的输入端连接有伺服电路；所述伺服电路的输出端与振荡器连接；倍频电路与微波倍混频器的输入端连接；微波倍混频器的输出端与物理系统连接，以向物理系统传输微波探寻信号。

作为本技术方案的进一步改进，所述物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔、磁场、磁屏、光电池、耦合环、温度控制器和恒温器；恒温器与微波腔连接；温度控制器的输出端与光谱灯和微波腔连接；耦合环用于接收微波倍混频器的微波探寻信号。

作为本技术方案的进一步改进，所述故障显示模块包括工作指示灯和故障指示灯；工作指示灯用于显示中央处理器工作状态；故障指示灯用于显示其对应的连接件工作状态；所述中央处理器内安装有定时器，以释放方波电平使工作指示灯进行亮灭闪烁。

作为本技术方案的进一步改进，所述中央处理器内还安装有走时计数器，用于对振荡器输出的频率进行预测量。

本发明目的之二在于，提供了基于深层净化的家用净水方法，包括上述中任意一项所述的原子钟运行状态监测方法和装置包括权利要求1-5中任意一项所述的原子钟运行状态监测装置，其特征在于，包括如下方法步骤：

S1.1、输出量子鉴频信号；

S1.2、利用4倍频调制信号的采样时序的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对输出量子鉴频信号进行电平采样，并依次记录为D1、D2、D3和D4；

S1.3、对D1、D2、D3和D4进行原子频标锁判断，原子频标采用被动型铷原子频标而言，光谱灯正常工作温度大致在一百多度左右，在此温度下，假如光谱灯温度变化1℃，则反映光谱灯工作温度的热敏电阻的阻值变化将在50Ω左右。

S1.4、输出判断结果；

S1.5、对判断结果进行监测分析，并输出分析结果。

作为本技术方案的进一步改进，所述S1.5中监测分析步骤如下：

S2.1、利用A/D转换器对监测点的电压信号进行采集；

S2.2、判断故障监测点，并对故障监测点进行寻找；

S2.3、利用故障指示灯和工作指示灯输出故障点。

作为本技术方案的进一步改进，所述S2.2中判断故障监测点的方法步骤如下：

S3.1、判断光谱灯的热敏电阻两端采集的电压信号是否异常，若异常则向光谱灯对应的故障指示灯传输光谱灯故障指示使能，利用故障指示灯输出故障信号，然后返回至所述S2.1；

S3.2、判断集成滤光共振泡的热敏电阻两端采集的电压信号是否异常，若异常则向集成滤光共振泡对应的故障指示灯传输腔泡故障指示使能，利用故障指示灯输出故障信号，然后返回至所述S2.1；

S3.3、判断与磁场恒流源串联的电阻R3两端采集的电压信号是否异常，若异常则向磁场恒流源对应的故障指示灯传输磁场恒流源故障指示使能，利用故障指示灯输出故障信号，然后返回至所述S2.1。

作为本技术方案的进一步改进，所述S3.3中的磁场采用螺旋管电流式，其磁场大小计算公式如下：

其中，n为线圈单位长度匝数；I为通电电流；

作为本技术方案的进一步改进，所述S1.2中4倍频调制信号的方波采样时序信号对经量子鉴频、光检放大、方波整形后产生的交流信号进行锁定信息采集，用以判断此时刻原子频标锁定情况。

与现有技术相比，本发明的有益效果：通过原子频标脱锁，使中央处理器将使能中的泡模块“故障”指示灯灯点亮，反之则使“正常”指示灯点亮，最终进入到闭环锁定状态，以解决原子钟无法实现正常闭环锁定的问题，另外整个被动型铷原子频标的工作状态由4个监测点来完成，其中监测点1负责监测作为整个原子频标物理系统光源的光谱灯工作温度情况；监测点2负责监测内置进行滤光及原子共振的集成滤光共振泡的腔体工作温度情况；监测点3负责监测使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴的磁场电流情况；监测点4通过综合调制电路产生的同步采样时序对来自量子系统鉴频处理后经光检放大、方波整形得到的信号进行采样，通过采样结果判断原子频标是否进入正常锁定工作状态，从而实现对原子钟运行状态监测的目的。

附图说明

图1为本发明的整体模块框图；

图2为本发明的电子线路模块框图；

图3为本发明的物理系统模块框图；

图4为本发明的故障指示模块模块框图；

图5为本发明的故障指示模块电路图；

图6为本发明的锁定信息采集波形图；

图7为本发明的微波探测信号和原子跃迁电流时间函数关系图；

图8为本发明的原子钟运行状态监测步骤流程图；

图9为本发明的监测分析步骤流程图；

图10为本发明的判断故障监测点步骤流程图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-图10，本发明提供技术方案：

本发明提供原子钟运行状态监测装置，包括物理系统、中央处理器、电子线路、振荡器和故障显示模块，其中：

电子线路与中央处理器连接；电子线路与物理系统连接，物理系统用以提供量子鉴频基准；物理系统的输出端与中央处理器连接；中央处理器的输入端与振荡器的输出端双向连接；振荡器的输出端还与电子线路连接，振荡器的输出频率锁定在物理系统的原子吸收峰上；中央处理器的输出端与故障显示模块连接，以对运行故障进行提示。

此外，电子线路包括隔离放大器、综合调制电路、倍频电路和微波倍混频器，其中：

隔离放大器的输入端与振荡器连接；隔离放大器的输出端与倍频电路和综合调制电路连接；综合调制电路的输出端与倍频电路连接；综合调制电路的输入端连接有伺服电路；伺服电路的输出端与振荡器连接；倍频电路与微波倍混频器的输入端连接；微波倍混频器的输出端与物理系统连接，以向物理系统传输微波探寻信号。

进一步的，物理系统包括光谱灯、集成滤光共振泡、微波腔、磁场、磁屏、光电池、耦合环、温度控制器和恒温器；恒温器与微波腔连接；温度控制器的输出端与光谱灯和微波腔连接；耦合环用于接收微波倍混频器的微波探寻信号。

此外，微波倍混频器输出的微波探寻信号到物理系统中，物理系统实现量子系统鉴频的输出信号经光检放大和方波整形通过伺服电路将本振的输出频率锁定在铷原子的基态超精细0-0跃迁频率上。

值得说明的是，整个被动型铷原子频标的工作状态由4个监测点来完成，请参阅图1-图2所示，其中监测点1负责监测作为整个原子频标物理系统光源的光谱灯工作温度情况；监测点2负责监测内置进行滤光及原子共振的集成滤光共振泡的腔体工作温度情况；监测点3负责监测使原子基态超精细结构发生塞曼分裂，并为原子跃迁提供量子化轴的磁场电流情况；监测点4通过综合调制电路产生的同步采样时序对来自量子系统鉴频处理后经光检放大、方波整形得到的信号进行采样，通过采样结果判断原子频标是否进入正常锁定工作状态。

具体的，故障显示模块包括工作指示灯和故障指示灯；工作指示灯用于显示中央处理器工作状态；故障指示灯用于显示其对应的连接件工作状态；中央处理器内安装有定时器，以释放方波电平使工作指示灯进行亮灭闪烁。

此外，中央处理器内还安装有走时计数器，用于对振荡器输出的频率进行预测量，因此中央处理器上电之前其内部存储器记录了振荡器型号及相应压控斜率值数据，在上电时或出现故障时，另外，中央处理器使工作在开环状态，此时中央处理器大范围的改变输出至振荡器的压控电压值，并通过内部走时计数器测量相应的频率值，从而获得相应的振荡器压控斜率数据，并与内部存储的相应型号振荡器压控斜率参数进行对比，若出现差别，则中央处理器使能故障显示模块中与振荡器对应的“故障”指示灯点亮，以提醒对振荡器进行更换，反之将使“正常”指示灯正常进行亮灭闪烁。

值得说明的是，集成滤光共振泡与上述光电探测器、磁场、磁屏等共同放置在微波腔内，此作为一个可以替换的模块，从而导致的无法闭环锁定应该包含集成滤光共振泡泡频变化、微波腔腔频变化、甚至磁场导致的原子不分裂的可能故障，故障出现时：原子频标脱锁，此时中央处理器将使能中的泡模块“故障”指示灯灯点亮，反之则使“正常”指示灯点亮，最终进入到闭环锁定状态，以解决原子钟无法实现正常闭环锁定的问题。

本实施例目的之二在于，提供了基于深层净化的家用净水方法，包括上述中任意一项的原子钟运行状态监测方法和装置，包括权利要求1-5中任意一项的原子钟运行状态监测装置，其特征在于，包括如下方法步骤：

S1.1、输出量子鉴频信号；

S1.2、利用4倍频调制信号的采样时序的连续4个上升沿作为触发脉冲，分别对输出量子鉴频信号进行电平采样，并依次记录为D1、D2、D3和D4；

S1.3、对D1、D2、D3和D4进行原子频标锁判断，原子频标采用被动型铷原子频标而言，光谱灯正常工作温度大致在一百多度左右，在此温度下，假如光谱灯温度变化1℃，则反映光谱灯工作温度的热敏电阻的阻值变化将在50Ω左右，其中：

若判断D1、D2、D3和D4中出现一个固定高电平，则原子频标未锁定(f＞f0或者f＜f0)输出锁定指示非，并返回至S1.2；

若判断D1、D2、D3和D4中未出现一个固定高电平，继续判断D1是否等于D3并且D2等于D4；

若判断结果是则原子频标锁定(f＝f0)输出锁定指示使能，并返回至S1.2；

若判断结果否则判断D1、D2、D3和D4是否全部相等；

若判断结果是则原子频标脱锁(f＞＞f0)；

若判断结合否则光谱灯出现张弛振荡，并输出锁定指示非，再返回至S1.2；

具体的，请参阅图7所示，对表征信号幅度I的y轴进行了电反相，经综合器调制后产生的微波探询信号f分别处于原子基态超精细0-0跃迁中心频率的左侧、正中、右侧时，经量子系统的鉴频处理，分别得到不同的量子鉴频信息：当微波探测信号的中心频率高于原子跃迁频率时f＞f0，光电池的输出信号和微波的调制信号同频反相；当微波探测信号的中心频率低于原子跃迁频率时f＜f0，光电池输出信号和微波调制信号同频同相；当微波探测信号的中心频率等于原子跃迁频率时f＝f0时，光电池的输出信号频率是微波调制频率的2倍，被动型原子频标伺服电路正是利用这一特性，采用同步鉴相方案实现整机的闭环锁定。

实现被动型原子频标的锁定指示，在保留原有的同步鉴相所需的调制信号、同步鉴相参考信号的同时，增添一路频率是调制信号4倍、相位可调、占空比为1∶1的方波采样时序信号。

此外，锁定指示判断分为四种情况：

微波探询信号的频率大于或者小于原子跃迁中心频率时，即f＞f0或者f＜f0，经量子鉴频、光检放大、方波整后得到的信号频率均与原来调制信号的频率一致，只是在相位上有所差异，此时原子频标处于未锁定状态；

微波探询信号的频率等于原子跃迁中心频率时，即f＝f0，方波整形后得到的信号频率是原调制信号的2倍，此时原子频标处于锁定状态；

微波探询信号的频率大大远离原子跃迁中心频率时，即f未进入有效的量子鉴频吸收带宽之内，经处理后得到的信号将是一个持续的电平，此时原子频标处于脱锁状态；

另一种特殊的情况就是，在原子频标整机刚上电时，其包含整机完全冷态上电与整机热态重新启动上电，光谱灯有一个张驰振荡的过程，此时从量子系统鉴频输出端会检测到高频无规律的信号波形，直至光谱灯进入正常工作状态，而整个张弛振荡过程持续的时间由具体的整机冷、热态决定。

S1.4、输出判断结果；

S1.5、对判断结果进行监测分析，并输出分析结果。

除此之外，S1.5中监测分析步骤如下：

S2.1、利用A/D转换器对监测点的电压信号进行采集；

S2.2、判断故障监测点，并对故障监测点进行寻找；

S2.3、利用故障指示灯和工作指示灯输出故障点。

此外，请参阅图5所示，紧贴于光谱灯部分的第一热敏电阻R4用于实时反映光谱灯的实际工作温度，对于被动型铷原子频标而言，光谱灯正常工作温度大致在一百多度左右，在此温度下，假如光谱灯温度变化1℃，则反映灯工作温度的、热敏电阻R4的阻值变化将在50Ω左右。将第一热敏电阻R4接入一个由第一电压基准V1及温度系数较小的第一固定电阻R1构成的串联环路中，通过A/D转换器对热敏电阻R4两端的电压进行采集，并将采样结果传递给单片机，通过单片机对A/D转换器采样结果进行分析即可间接地判断光谱灯工作温度情况，此监测点1的故障发生有如下两种情况：

光谱灯激励线圈及加热电路故障，表现为光谱灯中的铷元素不能正常起辉，导致光抽运过程无法完成，最终使整个被动型原子频标无法实现闭环锁定；

控温电路故障，表现为光谱灯中的铷元素已经正常发光，光抽运过程正常，整机实现闭环锁定，由于光谱灯温度存在影响整机频率稳定度的波动，导致原子频标输出信号频率稳定度变差，不能满足实际应用的需求，以上故障经单片机采集、分析A/D转换器的数据后，将故障通过故障指示灯输出。

紧贴于集成滤光共振泡部分的热敏电阻R5用于实时反映腔泡系统的实际工作温度情况，对于被动型铷原子频标而言，腔泡系统正常工作温度大致在七十度左右，在此温度下，假如腔泡系统温度变化1℃，则反映其工作温度的热敏电阻R5的阻值变化将在600Ω左右，将热敏电阻R5接入一个由第二电压基准V2及温度系数较小的第二固定电阻R2构成的串联环路中，通过A/D转换器对热敏电阻R5两端的电压进行采集，并将采样结果传递给单片机，通过单片机对A/D转换器采样结果进行分析即可间接地判断腔泡系统工作温度情况，此监测点2的故障发生主要是控温电路故障，表现为集成滤光共振泡中的铷蒸气由于腔泡温度不稳定而有分布不均匀、密度不一致的现象，影响光抽运的效果，导致整机输出信号频率稳定度变差，不能满足实用的需求，以上故障经单片机采集、分析A/D转换器的数据后，将故障通过故障指示灯输出。

进一步的，S2.2中判断故障监测点的方法步骤如下：

S3.1、判断光谱灯的热敏电阻两端采集的电压信号是否异常，若异常则向光谱灯对应的故障指示灯传输光谱灯故障指示使能，利用故障指示灯输出故障信号，然后返回至S2.1：

S3.2、判断集成滤光共振泡的热敏电阻两端采集的电压信号是否异常，若异常则向集成滤光共振泡对应的故障指示灯传输腔泡故障指示使能，利用故障指示灯输出故障信号，然后返回至S2.1；

S3.3、判断与磁场恒流源串联的电阻R3两端采集的电压信号是否异常，若异常则向磁场恒流源对应的故障指示灯传输磁场恒流源故障指示使能，利用故障指示灯输出故障信号，然后返回至S2.1。

此外，S3.3中的磁场采用螺旋管电流式，其磁场大小计算公式如下：

其中，n为线圈单位长度匝数；I为通电电流；

除此之外，S1.2中4倍频调制信号的方波采样时序信号对经量子鉴频、光检放大、方波整形后产生的交流信号进行锁定信息采集，用以判断此时刻原子频标锁定情况。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。