一种冷原子微波钟锁定晶振方法及系统与流程

本技术涉及到原子频率标准与频率控制，尤其涉及到一种冷原子微波钟锁定晶振方法及系统。

背景技术：

1、冷原子微波钟利用冷却后的原子的超精细能级跃迁作为频率参考，通过测量本地振荡器与原子超精细跃迁频率之间的偏差，通过频率锁定，实现高稳定度频率输出。

2、现有冷原子微波钟系统通常采用晶体振荡器作为本地振荡源，使用微波频率综合器，将晶体振荡器的输出频率倍频至冷原子跃迁的微波频率值，再通过数字比例积分（pi）控制器或比例积分微分（pid）控制器对晶体振荡器进行频率驯服，使其长期频率跟踪原子跃迁频率。

3、然而，现有控制方法存在以下不足：

4、控制参数通常依赖经验整定，参数优化过程复杂；

5、原子钟测量结果受到探测噪声、量子投影噪声以及环境扰动影响；

6、控制系统通常直接利用测量频率偏差进行反馈，未充分利用系统状态信息；

7、晶体振荡器频率漂移和老化信息无法有效提取；

8、传统控制方法难以实现状态估计与控制过程的统一设计。

技术实现思路

1、本技术提供了一种冷原子微波钟锁定晶振方法及系统，用以在存在测量噪声条件下提高状态估计精度，并实现基于状态空间模型的频率驯服控制。

2、第一方面，提供了一种冷原子微波钟锁定晶振方法，包括以下步骤：

3、s1：建立晶体振荡器的离散时间状态空间模型，定义状态向量包括相对频率偏差和相对频率漂移率，并确定状态转移矩阵和控制输入矩阵；

4、s2：建立测量模型，以冷原子微波钟输出的相对频率偏差作为观测量，确定观测矩阵；

5、s3：利用kalman滤波算法，基于所述状态空间模型和测量模型进行递推计算，实时估计出当前时刻的相对频率偏差估计值和相对频率漂移率估计值；

6、s4：构建线性二次型调节器最优控制器，定义包含状态变量和控制量的二次型性能指标j，求解代数riccati方程获得最优反馈增益矩阵k；

7、s5：根据所述状态估计值和最优反馈增益矩阵生成控制量，并将所述控制量输出至数模转换器，通过改变晶体振荡器的控制电压，实现晶体振荡器对冷原子微波钟参考频率的锁定。

8、在上述技术方案中，通过建立晶体振荡器的离散时间状态空间模型，定义状态向量包括相对频率偏差和相对频率漂移率，并确定状态转移矩阵和控制输入矩阵；建立测量模型，以冷原子微波钟输出的相对频率偏差作为观测量，确定观测矩阵；利用kalman滤波算法，基于所述状态空间模型和测量模型进行递推计算，实时估计出当前时刻的相对频率偏差估计值和相对频率漂移率估计值；构建线性二次型调节器最优控制器，定义包含状态变量和控制量的二次型性能指标j，求解代数riccati方程获得最优反馈增益矩阵k；根据所述状态估计值和最优反馈增益矩阵生成控制量，并将所述控制量输出至数模转换器，通过改变晶体振荡器的控制电压，实现晶体振荡器对冷原子微波钟参考频率的锁定；在存在测量噪声条件下提高状态估计精度，并实现基于状态空间模型的频率驯服控制。

9、在一个具体可实施方案中，步骤s1中所述状态向量定义为：

10、；

11、其中，表示第 k个采样周期晶体振荡器输出频率相对于标称频率的相对频率偏差，表示单位采样周期内的相对频率漂移率。

12、在一个具体可实施方案中，步骤s1中所述离散状态方程为：

13、；

14、其中，为施加于晶体振荡器的控制输入的变化量，为服从高斯分布的系统过程噪声。

15、在一个具体可实施方案中，所述状态转移矩阵a和控制输入矩阵b具体设置为：

16、；；

17、其中，t为系统的采样周期，为晶振输出相对频率与控制量之间的系数。

18、在一个具体可实施方案中，步骤s2中所述的测量模型表达式为：

19、；

20、其中，为冷原子微波钟的测量噪声；观测矩阵；为冷原子微波钟测量得到的相对频率偏差。

21、在一个具体可实施方案中，步骤s3中所述的kalman滤波递推过程具体包括：

22、状态一步预测：；

23、协方差一步预测：；

24、计算kalman增益：；

25、状态更新：；

26、协方差更新：；

27、从而获得当前时刻的最优状态估计值。

28、在一个具体可实施方案中，步骤s4中所述的二次型性能指标 j定义为：

29、；

30、其中，q为半正定状态权重矩阵，用于表征系统对各状态变量偏离目标值的关注程度，并调节频率偏差和漂移率在性能指标中的权重；r为正定控制权重矩阵，用于表征控制输入的代价，并调节控制动作幅度与系统响应速度之间的折中关系。

31、在一个具体可实施方案中，步骤s4中所述的最优反馈增益矩阵是通过求解离散代数riccati方程获得的常数矩阵，其中为频率偏差对应的反馈增益系数，为频率漂移率对应的反馈增益系数。

32、在一个具体可实施方案中，步骤s5中生成控制量的控制量具体为增量式控制算法为：

33、；

34、该增量式控制量，用于消除稳态误差，并利用漂移率信息提前预判频率变化趋势。

35、第二方面，提供了一种冷原子微波钟锁定晶振系统，包括：

36、离散时间状态空间模型构建模块，用于建立晶体振荡器的离散时间状态空间模型，定义状态向量包括相对频率偏差和相对频率漂移率，并确定状态转移矩阵和控制输入矩阵；

37、测量模型构建模块，用于建立测量模型，以冷原子微波钟输出的相对频率偏差作为观测量，确定观测矩阵；

38、实时估算模块，用于利用kalman滤波算法，基于所述状态空间模型和测量模型进行递推计算，实时估计出当前时刻的相对频率偏差估计值和相对频率漂移率估计值；

39、最优控制器构建模块，用于构建线性二次型调节器最优控制器，定义包含状态变量和控制量的二次型性能指标j，求解代数riccati方程获得最优反馈增益矩阵k；

40、控制量生成模块，用于根据所述状态估计值和最优反馈增益矩阵生成控制量，并将所述控制量输出至数模转换器，通过改变晶体振荡器的控制电压，实现晶体振荡器对冷原子微波钟参考频率的锁定。

41、在上述技术方案中，通过建立晶体振荡器的离散时间状态空间模型，定义状态向量包括相对频率偏差和相对频率漂移率，并确定状态转移矩阵和控制输入矩阵；建立测量模型，以冷原子微波钟输出的相对频率偏差作为观测量，确定观测矩阵；利用kalman滤波算法，基于所述状态空间模型和测量模型进行递推计算，实时估计出当前时刻的相对频率偏差估计值和相对频率漂移率估计值；构建线性二次型调节器最优控制器，定义包含状态变量和控制量的二次型性能指标j，求解代数riccati方程获得最优反馈增益矩阵k；根据所述状态估计值和最优反馈增益矩阵生成控制量，并将所述控制量输出至数模转换器，通过改变晶体振荡器的控制电压，实现晶体振荡器对冷原子微波钟参考频率的锁定；在存在测量噪声条件下提高状态估计精度，并实现基于状态空间模型的频率驯服控制。