可移动光钟探测光学系统的隔振设计.pdf
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1、2024年2 月第44卷第1期文章编号:10 0 0-7 2 0 2(2 0 2 4)0 1-0 0 2 0-0 9宇航计测技术Journal of Astronautic Metrology and MeasurementFeb.2024Vol.44No.1.D0I:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.01.04可移动光钟探测光学系统的隔振设计要佳敏12,冯金扬12,吴书清12,张璐3,薛潇博3(1.中国计量科学研究院,北京10 0 0 2 9;2.国家市场监管总局时间频率与重力计量基准重点实验室,北京10 0 0 2 9;3.北京无线电计量测试研究所,北京10 0
2、 0 3 9)摘要:为了满足移动测量、异地时钟现场比对等需求,小型化可移动光钟逐渐成为研究热点,但在车载平台等典型工作环境中,振动噪声将对光钟物理部分探测光学系统的光束偏转角产生影响,从而引人频移。为抑制光束偏转角变化对光钟稳定性的干扰,首次提出一种适用于光钟物理部分的探测光学系统的隔振系统设计方法,包括计算系统基座振动与作用于原子的光束偏转角的定量关系及由此引人的光钟稳定度、实测带有测试方舱的车辆底座的振动噪声、基于光钟稳定运行对振动的要求设计三维隔振系统的结构及性能参数等主要步骤,并给出了以TS-300型主动式隔振台和50 0 BM-1型被动式隔振台构成垂直隔振系统时的详细设计过程。仿真结
3、果表明,当光钟位于静止的测试车方舱中心时,使用该隔振系统后由振动导致的光束偏转角对稳定度的贡献不大于2.9 410-15-1/2,通过优化隔振系统,稳定度可达到1.12 10-15+-/2。关键词:光钟;隔振系统;反馈控制;仿真中图分类号:TH714文献标识码:ADesign of the Vibration Isolator for Atomic Beam Chamberof a Transportable Optical ClockYAO Jiamin2,FENG Jinyang.2,WU Shuqing*2,ZHANG Lu,XUE Xiaobo(1.National Institute
4、 of Metrology,China,Beijing 100029,China;2.Key Laboratory of Time andFrequency and Gravity Acceleration of State Administration for Market Regulation,Beijing 100029,China;3.Beijing Institute of Radio Metrology and Measurement,Beijing 100039,China)Abstract:Miniatured transportable optical clock has b
5、een paid much attentions in recent years as a portable instrumentsupporting the comparison of clocks from diferent stations.For an optical clock aiming to operate in vehicles when they arestopped,vibration noise shows an important influence on its frequency shift through disturbing the tilt of the b
6、eam generated bythe atomic beam chamber.A novel design method of a vibration isolator applied for optical system in transportable optical clockhas been proposed,including finding the quantitative relation from the vibration of the chamber base to the beam tilt and theintroduced stability to the cloc
7、k,measuring the real vibration of a cabinet holding the optical clock,and designing three-axisvibration isolator for the atomic beam chamber.A detailed design of a vertical vibration isolator applying TS-300 and 500BM-1 vibration isolation platform is described.It is displayed by calculation and sim
8、ulation that the stability of the optical clockintroduced from the beam tilt caused by vibration noise is considered to be no more than 2.94 x10-15-12 when the clock is收稿日期:2 0 2 3-0 7-2 0;修回日期:2 0 2 3-10-2 4基金项目:国家市场监督管理总局质量技术基础能力建设专项(ANL2308)。作者简介:要佳敏(19 9 2-),女,副研究员,博士,主要研究方向:重力测量振动信号处理技术。第1期plac
9、ed at the center of the cabinet.Moreover,a better value of theoretical stability introduced by vibration of 1.12 10-15-1can be expected with the optimization of the sensor in the vibration isolator according to the simulated results.Keywords:Optical clock;Vibration isolator;Feedback control;Simulati
10、on可移动光钟探测光学系统的隔振设计21.0 引 言时间(频率)是目前测量精度最高的物理量,现行的国际制单位“秒”由原子喷泉钟定义1,2 。近十多年来,利用中性原子或离子内高Q值的光频跃迁研制的光学原子钟(以下简称为光钟)也备受关注3 ,目前实验室静态条件下光钟的稳定性水平已超越了原子喷泉钟4。为了配合空间探索的需要,更方便快捷地实现异地钟信号比对,国内外已有多个研究组正在开展小型化可移动光钟的研制。2 0 14年,意大利Tino小组实现了系统总体积小于2 m的可移动小型化Sr光钟,频率不确定度为7 10-155;2017年,德联邦物理技术研究院成功实现了可移动的8 7 Sr光钟,其物理真空系
11、统集成在两个19 寸的机架中,放置于12 0 cm90 cm的平板上。该系统在实验室静态条件下的频率不确定度为7.410-17,稳定度优于1.3 10-15-1/2 6 。国内也有中国计量科学研究院7 、华东师范大学8 】、中国科学院武汉物理与数学研究所9 、中国科学院国家授时中心10 、中国科学院上海光学精密机械研究所1 等单位开展了光钟的研制,其中武汉物理与数学研究所研制的可搬运小型化Ca+光钟,系统总体积小于0.54m,在实验室静态条件下的频率不确定度初步评估为7.8 10-17,稳定度约为2.3 10-15-1/2 12 但是目前尚无可移动光钟在车载平台上实现了10-15量级的频率稳定
12、度的公开报道。对可移动光钟而言,移动平台及外界环境的振动噪声是影响光钟物理部分探测光学系统的重要因素。振动对光钟的影响主要针对激光参考腔和原子冷却光路,一方面导致激光参考腔体的局部变形、腔长变化、腔内空气折射率的变化,进而使激光波长改变;另一方面导致冷却光路中的光学元件发生微小位移或旋转,造成光路中光束的光程及偏转角变化等。这些微小变化之间的耦合较为复杂,难以直接计算,最终都将导致光钟的频移增大。初步估算表明,不进行振动处理时车载平台上的光钟频率稳定度将不低于10-14量级,其中振动导致的作用于探测光学系统的偏转角变化是限制光钟频率稳定度的根本因素。为了减小平台振动对光钟物理部分的探测光学系统
13、的影响,有必要针对性地设计合适的隔振系统。隔振系统相当于一个针对振动的低通滤波器能够将环境中频率大于其截止频率的振动幅值进行有效衰减,可以分为水平隔振系统和垂直隔振系统,二者均可以从原理上继续细分为被动式和主动式。水平隔振系统中应用最广泛的机械形式为螺旋弹簧和倒立摆;垂直隔振系统需要在隔振的同时支撑负载的重量,常见的机械形式包括螺旋弹簧、几何负刚度弹簧、欧拉压杆、扭杆弹簧等。各类隔振系统本质上都是具有较低刚度的弹簧一振子结构,具有较低的截止频率。基于这些结构可以直接实现被动式水平或垂直隔振系统;配合传感器、控制器与驱动器,可以进一步实现主动式隔振系统。理论上可以通过合理设计实现以光钟为负载的三
14、维隔振系统,但目前国内外尚无该类型实际系统的详细描述。以北京无线电计量测试研究所正在研制的可移动光钟为例,分析振动噪声导致的探测光学系统的光束偏转角,及该偏转角对光钟频率稳定度的干扰机理,描述典型车载平台振动噪声的实测过程及结果分析,详细介绍探测光学系统的隔振系统设计方法及供参考的计算及仿真结果。1振动噪声导致的光束偏转角对光钟频率稳定度的贡献振动噪声对光钟的干扰主要体现在它对光钟探测光学系统出光口的光束偏转角的影响;该光束将作用于原子,因此振动噪声将向光钟引人频移。为了定量化分析该项对光钟稳定度的贡献,首先需要建立振动噪声与光束偏转角的关系。由于探测光学系统内各光学元件的自身结构和分布位置较
15、为复杂,难以通过理论计算分析振动噪声的干扰机理,因此最有效的方法为有限元分析,具体过程为:第一步,对探测光学系统进行建模,通过有限元分.22析软件计算出系统的结构模态和特定振动输入下系统及内部各光学元件的结构变形;第二步,基于主要光学元件的微小位移及偏转,利用光学分析软件求解出光口处的光束偏转角。以北京无线电计量测试研究所正在研制的可移动光钟为例,该光钟物理部分的探测光路图如图1 所示。利用Ansys 软件对该模型进行前处理及有限元分析,仿真得到系统基座受到幅值为1g的加速度的单频振动时探测光学系统最敏感的振动频宇航计测技术率为3 18 Hz、3 54H z、418 H z。此时探测光学系统的
16、结构变形情况如图2 所示。现有机械结构下,频率为3 18 Hz时箱体底板中央变形较大,3 54Hz时箱体一侧的侧板变形严重,418 Hz时箱体底板侧边和所有侧板都有较大变形。这些变形都会导致相应位置的光学元件发生较大振动和转动。下述分析依据现有机械结构展开,但在后续工作中可以通过在底板和侧板增加加强筋以增加结构强度、抑制光学元件振动。原子2024年16.出光口探测器14.Mir._45_28.Mir._45_115.Mir._45_310.契角(A0M)12.f1009.1/2波片13.Mir._0_211.1/4波片5.f502.P-偏光片4.契角(AOM)1.光源3.准直器7.Mir._0
17、_11H200mml6.P-偏光板图1光钟探测光路示意图Fig.1 Diagram of the beam paths in atomic beam chamber(a)振源频率为3 18 Hz时利用Zemax软件,根据主要光学元件在上述振动条件下的微小位移和转角,通过蒙特卡罗分析得到系统出光口处的水平偏转角和垂直偏转角如表1所示。因此,振动噪声幅值为1g(有效值0.7 0 7 g)时光束偏转角上限约为1.3 2 4=0.0 2 3 1rad。由小角度近似规则可得:基座的振动噪声有效值为A(单位g)时,光束在水平及垂直方向的偏转角最大值约为(b)振源频率为3 54Hz时图2 探测光学系统的形变
18、图Fig.2 Deformation picture of the optical system0=0.707表1探测光学系统出光光束的偏转角Tab.1Tilt of the beam generated by the optical system类型水平偏转角垂直偏转角(c)振源频率为418 Hz时A 0.023 1 rad最小值/)0.000 401 50.000 980 79(1)最大值/)1.324 251 150.500 492 96第1期进一步参考美国海军天文台测定的光钟频移随光束偏转角的变化曲线,可以基于定量指标完成隔振系统设计方法的构建。该实测曲线证明:为了实现稳定度达到110
19、-17-12 水平的光钟,应保证光束偏转角不大于5 nrad,且光束偏转角不大于10 rad时光钟的频移随水平或垂直偏转角的变化均为线性13 。据此推算,当光钟物理部分探测光学系统出光光束的水平和垂直偏转角不大于如式(2)时,该偏转角对光钟稳定度的贡献不大于110-15,-/2。1 10-151x10-1 5 nrad=0.5 radtarget综上,为了保证探测光学系统的光束偏转角不大于0.5rad,其基座的振动噪声有效值上限应为Aou=0.023 1 rad0.5 rad 0.707 g=15.3 g2车载平台振动测量试验2.1测量方法仍以北京无线电计量测试研究所正在研制的可移动光钟为例,
20、其目标工作环境为一部正在制造的专用方舱。根据该光钟的重量及方舱的设计尺寸,振动测量试验在一辆特种运输车内开展。该车自带尺寸为7.6 m2.4m2.5m的方舱,内部配有控温空调。用于采集振动噪声的传感器为MSA1000A型加速度计,测量带宽为10 Hz1kHz,灵敏度为1000mV/g,敏感轴与其外壳上的箭头方向一致。将三轴向的加速度传感器用50 2 胶固定在方舱内的各测试点位,即可测量出各点的振动噪声。设定Z轴方向为垂直向上,X轴方向沿左右前轮连线,Y轴方向沿车辆前进方向。为尽可能评估光钟放置于测试车内不同位置时的振动情况,在方舱内设置了呈矩形分布的7 个测试点位如图3 所示,按顺时针编号。该
21、方舱的空调外机与舱体直接相连,且需由车辆发动机供电。二者同时开启时将作为振源引入较大的振动,影响探测光学系统的光束发散角及光钟的频率稳定度。因此假设实际光钟工作期间使用不间断电源(UPS)单独供电、空调机由另一单独电源供电且其外机与方舱分离,此时的工况等同于发动机关闭状态。本次测试首先测量了该状态下7个测试点处X、Y、Z 轴方向上的振动,之后测量了发可移动光钟探测光学系统的隔振设计(2)8(3)232.40 m空调车头方向6号点!5号点中心点4号点L90图3 测试点位布局俯视图Fig.3Vertical view diagram of the layout ofMeasurement posi
22、tions动机开启但空调关闭、发动机开启且空调开启这两种条件下的三轴方向振动作为参考。其中测量每个点位的振动时用于模拟光钟总体质量的3 2 0 kg配重和加速度计应同时移动到该点位。为减小振动传感器自身漂移和随机误差的影响,同一条件下的测试均重复10 次,每次时长50 s。2.2测量结果方舱中心点的实测振动噪声的功率谱密度如图4所示,其中图4(a)、图4(b)和图4(c)分别对应X、Y、Z 方向的振动噪声。无发动机时三个方向的振动噪声主要集中在1 10 Hz,其中X和Y方向的振动信号在10 Hz1kHz内存在若干独立峰,Z方向则比较复杂,每个峰值附近的频带均有展宽,但上述所有频谱的幅值均小于1
23、0-4g;发动机启动后,10 Hz1kHz内的振动噪声迅速增加,形成宽度扩展至整个传感器带宽的频谱,幅值增大至10-g左右,说明测试车和方舱的机械结构和连接结构较为复杂、振动模态复杂,位于方舱内部的设备实际感受到的振动噪声的成分非常多;空调开启后,整个频带内各频率成分的幅值均增加5倍左右,同时10 100Hz范围内的噪声增幅最大可达2 个量级。XY1.64 m1号点09L=L8912号点13号点24其他点位的振动频带与中心点基本相同,但振动幅值随测试工况的差异有所增大。汇总了发动机和空调各自引起的振动噪声的峰值频率及其幅值,如表2 所示,可以看出发动机和空调开启时方发动机关闭发动机开启,空调关
24、闭发动机和空调开启10-110-210-310-410-510-610-1宇航计测技术舱的振动加速度过大,对光钟的稳定运行有较大影响。综上,隔振系统设计以测试车发动机关闭时的典型振动噪声为参考,设计方法可以类推到环境振动包含其他振源时的工况。发动机关闭发动机开启,空调关闭发动机和空调开启10-110-2/-2H.8/率10-310-410-510-6100101频率/Hz(a)X方向Fig.4 Plot of the power spectrum density of the vibration acceleration at the cabinet center2024年发动机关闭发动机开启
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