【摘要】：高精度、高穩(wěn)定度微波頻率源是束型原子鐘系統(tǒng)重要組成部分。束型原子鐘將電振蕩信號(hào)鎖定到原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷頻率上,實(shí)現(xiàn)高穩(wěn)定度的頻率信號(hào)輸出。高穩(wěn)頻率源是通訊、導(dǎo)航、計(jì)量、深空探測、基礎(chǔ)科學(xué)研究等領(lǐng)域的基礎(chǔ),更是國防和國家安全的重要保證。目前包括商用銫束原子鐘在內(nèi)的原子頻標(biāo)系統(tǒng)國外對(duì)我國保持禁運(yùn),高穩(wěn)微波頻率源的研究意義在于突破國外在原子頻標(biāo)領(lǐng)域?qū)ξ覈募夹g(shù)封鎖,為商用原子頻標(biāo)領(lǐng)域的國產(chǎn)化進(jìn)程做出貢獻(xiàn)。將產(chǎn)生于實(shí)驗(yàn)室中的高穩(wěn)微波頻率信號(hào),通過激光在大氣或者水下實(shí)現(xiàn)高精度頻率傳遞,為構(gòu)建大氣或水下原子頻標(biāo)信號(hào)的傳遞鏈路提供理論和實(shí)驗(yàn)支撐,具有重要的科學(xué)意義與應(yīng)用價(jià)值�；谠宇l標(biāo)的微波頻率產(chǎn)生和基于激光的大氣高精度頻率傳遞相結(jié)合,應(yīng)用于雙基地合成孔徑雷達(dá)(Synthetic-Aperture Radar,SAR)本振信號(hào)同步中,可在GPS受到人為干擾或切斷時(shí),提供一種新的相位同步方式,對(duì)國家安全和自然災(zāi)害的應(yīng)急處置具有重要意義。本論文針對(duì)基于原子頻標(biāo)的高穩(wěn)微波頻率合成,高精度大氣及水下頻率傳遞和雙基地SAR雷達(dá)本振信號(hào)同步等問題展開深入研究和分析,旨在打破國外對(duì)我國在相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域的禁運(yùn)和封鎖,主要內(nèi)容分為四部分。(1)基于原子頻標(biāo)的高穩(wěn)微波頻率產(chǎn)生技術(shù)研究。重點(diǎn)研究高微波頻率源的產(chǎn)生,使其準(zhǔn)確激發(fā)銫原子基態(tài)超精細(xì)能級(jí)躍遷。首先對(duì)高穩(wěn)微波頻率合成進(jìn)行理論分析和仿真,設(shè)計(jì)了倍頻器與雙鎖相環(huán)相結(jié)合的結(jié)構(gòu),實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的產(chǎn)生,并對(duì)輸出信號(hào)的相位噪聲和相位跟蹤時(shí)間進(jìn)行了詳細(xì)的測試和分析。測試結(jié)果顯示,在偏移載波頻點(diǎn)1 Hz和10 Hz處,絕對(duì)相位噪聲與理論值保持一致。同時(shí),對(duì)基于光電振蕩器(Opto-Electronic Oscillator,OEO)的原子頻標(biāo)產(chǎn)生技術(shù)進(jìn)行了研究和分析,設(shè)計(jì)和搭建了單環(huán)結(jié)構(gòu)OEO頻率產(chǎn)生裝置,并進(jìn)行了相位噪聲指標(biāo)的測試,為基于OEO結(jié)構(gòu)的高穩(wěn)頻率產(chǎn)生技術(shù)做了探索性研究。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種可同時(shí)激發(fā)Rb和Cs兩種原子躍遷的雙模Ramsey微波諧振腔。最后,將高穩(wěn)微波頻率綜合器與Ramsey微波諧振腔結(jié)合到原子鐘系統(tǒng)中,測試了原子鐘的不穩(wěn)定度,測試結(jié)果與高穩(wěn)微波頻率信號(hào)的不穩(wěn)定度保持一致。(2)基于激光的大氣頻率傳遞技術(shù)研究。重點(diǎn)研究和分析頻率傳遞鏈路中由大氣湍流引入的時(shí)延波動(dòng),并研究消除或降低時(shí)延波動(dòng)的方法。首先深入研究了基于激光的大氣頻率傳遞理論,詳細(xì)分析了大氣湍流對(duì)頻率傳遞帶來的影響,并建立了大氣頻率傳遞的理論模型。提出了基于單路電學(xué)相位補(bǔ)償?shù)淖杂煽臻g大氣頻率傳遞技術(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:該電學(xué)補(bǔ)償技術(shù)有效抑制了時(shí)延波動(dòng),經(jīng)補(bǔ)償后,1 GHz頻率信號(hào)在l00m傳遞鏈路中,不穩(wěn)定度指標(biāo)為2×10-13@1 s和2×l0-16@ 1000s,優(yōu)于商用銫束原子鐘(5071A)2～3個(gè)數(shù)量級(jí),為在大氣中搭建原子頻標(biāo)傳遞鏈路提供了理論和實(shí)驗(yàn)支撐。(3)基于激光的水下頻率傳遞技術(shù)研究。重點(diǎn)研究和分析頻率傳遞鏈路中由水下湍流引入的時(shí)延波動(dòng)以及消除或降低時(shí)延波動(dòng)的方法。首先研究了不同水體環(huán)境對(duì)水下頻率傳遞的影響,分析了水下頻率傳遞面臨的問題,并借鑒大氣湍流理論模型,評(píng)估水下湍流對(duì)頻率傳遞的影響。同時(shí),設(shè)計(jì)了水下頻率傳遞實(shí)驗(yàn)裝置,在傳遞距離為3 m、6 m和9 m時(shí),進(jìn)行100 MHz頻率傳遞實(shí)驗(yàn)。在此基礎(chǔ)上,提出了基于電學(xué)相位補(bǔ)償?shù)乃骂l率傳遞技術(shù),實(shí)現(xiàn)由水下湍流引入的時(shí)延波動(dòng)的抑制。100 MHz頻率信號(hào)在傳遞距離為5 m時(shí),補(bǔ)償后5000 s內(nèi)時(shí)延波動(dòng)均方根值為2.1 ps,頻率不穩(wěn)定度為5×l0-13@1 s和7×l0-16@ 1000 s。相比無補(bǔ)償狀態(tài)降低了約1個(gè)數(shù)量級(jí),有效地抑制了時(shí)延波動(dòng),為搭建原子頻標(biāo)水下傳遞鏈路做了探索性工作。(4)基于高穩(wěn)微波源與高精度頻率傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙基地SAR相位同步研究。雙基地SAR發(fā)射機(jī)和接收機(jī)本振信號(hào)相位同步是其研究領(lǐng)域中的基礎(chǔ)性內(nèi)容。本文詳細(xì)分析了雙基地SAR系統(tǒng)對(duì)相位同步的需求,以及同步誤差對(duì)成像的影響。結(jié)合高穩(wěn)微波頻率產(chǎn)生技術(shù),設(shè)計(jì)了基于大氣頻率傳遞技術(shù)實(shí)現(xiàn)雙基地SAR本振信號(hào)相位同步方案;同時(shí)采用大氣頻率傳遞實(shí)驗(yàn)中測量得到的真實(shí)數(shù)據(jù),對(duì)同步后的雙基地SAR做了同步仿真分析。研究結(jié)果證明了高穩(wěn)微波頻率產(chǎn)生技術(shù)和高精度大氣頻率傳遞技術(shù)應(yīng)用于同步雙基地SAR本振信號(hào)的可行性。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN958
【圖文】：

相位跳變約獷時(shí)跟蹤時(shí)間測試

CEO綜合器相位噪聲側(cè)試結(jié)果

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2765624