冷镱原子光钟控制系统优化和伺服误差初步评估

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1、2017届研究生硕士学位论文学校代码：10269学号：51142000011冷镱原子光钟控制系统优化和伺服误差初步评估院系：精密光谱科学与技术国家重点实验室专业：光学研究方向：冷原子精密光谱学指导教师：徐信业教授论文作者：李上彦2017年7月2017’Master’sdegreethesisUniversitycode:10269Graduatecode:51142000011EastChinaNormalUniversityOptimizationofcontrolsystemandevaluationofservoerrorinacoldytterbiumatomicclockScho

2、ol:StateKeyLaboratoryofPrecisionSpectroscopyMajor:OpticsDirection:PrecisionSpectroscopyofColdAtomsTutor:ProfessorXinyeXuGraduate:ShangyanLiJuly2017摘要摘要在国际单位制七个基本物理量中，对时间的测量精度是最高的，准确的时间频率标准可用于进行一系列基础物理研究如测量精细结构常数变化率、寻找暗物质、验证相对论等，同时还在测地学、卫星导航定位等领域有着重要作用。目前“秒”由铯原子微波频标定义，而原子光频标即“光钟”在不确定度以及稳定性指标上已经超越了微

3、波频标，并且还在快速的发展中，镱原子光钟是诸多备选原子光钟中十分有潜力的一种。华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室已经成功研制两套可以正常运行的镱原子光钟。光钟是一个复杂的精密测量系统，各个环节的误差都会对最终的性能产生影响，其控制系统主要包括激光器控制，伺服反馈控制，本文逐一对其进行了优化。首先，开发了基于FPGA（现场可编程逻辑门阵列）的数字式高速PID（比例-积分-微分）控制器，伺服带宽1MHz，应用于激光器锁频的快速响应控制，将759nm晶格光、649nm和770nm抽运光锁定在一个F-P腔上，并且可以利用光梳监测F-P腔的频率漂移，实现漂移的主动补偿，进一步降低光频移评估

4、的不确定度。然后对光钟闭环锁定的伺服控制系统进行分析，闭环锁定过程通过多次跳频探测获得钟光相对镱原子钟跃迁谱线的频率误差信号，经过一个预判算法后，控制声光调制器，对钟光的频率漂移和抖动进行反馈补偿，利用MATLAB建模仿真后发现，常规的PID算法由于反馈参数固定，而在长期锁定过程中钟光的噪声特性以及漂移速率都有可能改变，无法很好抑制残余误差，导致长时间闭环的不稳定度受限，且伺服误差增大，所以开发了一套基于神经网络自适应PID和前馈的复合控制算法，实时对钟光漂移速率进行跟踪补偿，并利用机器学习原理自动对PID参数进行在线整定，很好的兼顾了光钟闭环锁定的长稳和短稳，并且成功将这一套优化算法应用

5、于双峰锁定以及两套光钟比对实验中，实现了同步比对5000s平均时间的不稳17定度为5.010。然后对改进后的系统伺服误差进行了初步评估，修正值和统计不确定度是通过实验1917数据得出，伺服误差的修正值为3.0110，统计不确定度为1.0210。通过之前的建模仿真过程，可以得出反馈系统在不同的钟光漂移速率下的残余误差，而钟光的漂移速率不确定度通过多次闭环锁定实验可以得出，伺服误差的系统不确定度由以上两者决定，20结果为7.6810。关键词：镱原子光钟,闭环锁定,神经网络,伺服误差IABSTRACTABSTRACTThemeasurementoftimeisthemostacc

6、urateoneamongthesevenunitsofinternationalunitssystem.Aprecisetimeandfrequencystandardcouldhelpstudyingmanyfundamentalphysicsresearches,forexample,measuringthevariationoffinestructureconstant,searchingdarkmatter,verifyingEinstein’srelativity.Furthermore,ithasgreatvalueingeodesyandsatellitenavigatio

7、nsystem.since1967,theCsmicrowavefrequencystandardredefined“second”.However,theatomicopticalfrequencystandardalsoknownasopticalclocksaremorestableandhavebetteruncertaintycomparedwithmicrowavefrequencystandard.Andi