【摘要】：在國際單位制七個(gè)基本物理量中,對(duì)時(shí)間的測(cè)量精度是最高的,準(zhǔn)確的時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)可用于進(jìn)行一系列基礎(chǔ)物理研究如測(cè)量精細(xì)結(jié)構(gòu)常數(shù)變化率、尋找暗物質(zhì)、驗(yàn)證相對(duì)論等,同時(shí)還在測(cè)地學(xué)、衛(wèi)星導(dǎo)航定位等領(lǐng)域有著重要作用。目前“秒”由銫原子微波頻標(biāo)定義,而原子光頻標(biāo)即“光鐘”在不確定度以及穩(wěn)定性指標(biāo)上已經(jīng)超越了微波頻標(biāo),并且還在快速的發(fā)展中,鐿原子光鐘是諸多備選原子光鐘中十分有潛力的一種。華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)成功研制兩套可以正常運(yùn)行的鐿原子光鐘。光鐘是一個(gè)復(fù)雜的精密測(cè)量系統(tǒng),各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差都會(huì)對(duì)最終的性能產(chǎn)生影響,其控制系統(tǒng)主要包括激光器控制,伺服反饋控制,本文逐一對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化。首先,開發(fā)了基于FPGA(現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)的數(shù)字式高速PID(比例-積分-微分)控制器,伺服帶寬1 MHz,應(yīng)用于激光器鎖頻的快速響應(yīng)控制,將759 nm晶格光、649 nm和770nm抽運(yùn)光鎖定在一個(gè)F-P腔上,并且可以利用光梳監(jiān)測(cè)F-P腔的頻率漂移,實(shí)現(xiàn)漂移的主動(dòng)補(bǔ)償,進(jìn)一步降低光頻移評(píng)估的不確定度。然后對(duì)光鐘閉環(huán)鎖定的伺服控制系統(tǒng)進(jìn)行分析,閉環(huán)鎖定過程通過多次跳頻探測(cè)獲得鐘光相對(duì)鐿原子鐘躍遷譜線的頻率誤差信號(hào),經(jīng)過一個(gè)預(yù)判算法后,控制聲光調(diào)制器,對(duì)鐘光的頻率漂移和抖動(dòng)進(jìn)行反饋補(bǔ)償,利用MATLAB建模仿真后發(fā)現(xiàn),常規(guī)的PID算法由于反饋參數(shù)固定,而在長期鎖定過程中鐘光的噪聲特性以及漂移速率都有可能改變,無法很好抑制殘余誤差,導(dǎo)致長時(shí)間閉環(huán)的不穩(wěn)定度受限,且伺服誤差增大,所以開發(fā)了一套基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)PID和前饋的復(fù)合控制算法,實(shí)時(shí)對(duì)鐘光漂移速率進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償,并利用機(jī)器學(xué)習(xí)原理自動(dòng)對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定,很好的兼顧了光鐘閉環(huán)鎖定的長穩(wěn)和短穩(wěn),并且成功將這一套優(yōu)化算法應(yīng)用于雙峰鎖定以及兩套光鐘比對(duì)實(shí)驗(yàn)中,實(shí)現(xiàn)了同步比對(duì)5000s平均時(shí)間的不穩(wěn)定度為5.0?10~(-17)。然后對(duì)改進(jìn)后的系統(tǒng)伺服誤差進(jìn)行了初步評(píng)估,修正值和統(tǒng)計(jì)不確定度是通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得出,伺服誤差的修正值為3.01?10~(-19),統(tǒng)計(jì)不確定度為1.02?10~(-17)。通過之前的建模仿真過程,可以得出反饋系統(tǒng)在不同的鐘光漂移速率下的殘余誤差,而鐘光的漂移速率不確定度通過多次閉環(huán)鎖定實(shí)驗(yàn)可以得出,伺服誤差的系統(tǒng)不確定度由以上兩者決定,結(jié)果為7.68?10~(-20)。
【圖文】：

當(dāng)輸入線性增加的時(shí)候，輸出也線性增加，斜率主率為 1.13，略大于 1，說明 G 不是剛好等于 1。但是其非線性誤D 模塊和 DA 模塊都是 8 位的精度，所以量化誤差為滿量程的 0.出的時(shí)候，在滿足輸出捕獲范圍的情況下，可以通過減小 DA 增應(yīng)1:1 轉(zhuǎn)換的程序，，F(xiàn)PGA 的時(shí)鐘為 50MHz，通過編程將其時(shí)鐘總線約，同時(shí)作為 DA 的時(shí)鐘。AD 模塊的芯片除了考慮驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的問題，還要考慮轉(zhuǎn)換速度，所鐘分頻后作為 AD 的時(shí)鐘，逐漸減小分頻的倍數(shù)。個(gè) 8 位的計(jì)數(shù)器，每一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘周期計(jì)數(shù)器自加 1，將計(jì)數(shù)器較器，當(dāng)計(jì)數(shù)歸 0 的時(shí)候（11111111+00000001=00000000）AD到的 AD 時(shí)鐘為 256 分頻，即 195.3kHz。在這樣的設(shè)置下，輸入出波形如圖 2.7。

圖 2.8 高速時(shí)鐘 AD 采樣波形。器觀察輸出的波形，在 1MHz 以下時(shí)，輸出信號(hào)的噪聲較小，高于變大。輸入和輸出有一個(gè)相位的偏移，這也是測(cè)試的一個(gè)環(huán)節(jié)，由于 F一個(gè)硬件結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)數(shù)字化 PID 的時(shí)候，中間還需要使用 4 個(gè)以及 8 個(gè)加法器，為了模擬該情況，對(duì)輸入采集到的信號(hào)進(jìn)行了 8 位寄存器�？梢阅M實(shí)際 PID 模塊運(yùn)行的速度，從產(chǎn)生的波形移位操作只會(huì)使用 1us 的時(shí)間。果 的開發(fā)程序和硬件測(cè)試順利通過，AD-DA 綜合的非線性誤差小于，AD 的動(dòng)態(tài)響應(yīng)受限于 FPGA 的系統(tǒng)時(shí)鐘（50MHz），DA 的動(dòng)態(tài)2 個(gè)時(shí)鐘周期），F(xiàn)PGA 的數(shù)據(jù)處理延遲在 1us 左右，推算出該基制器伺服帶寬為 1MHz。
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：O562

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本文編號(hào)：2662127