美大力推进“增强稳定性原子钟”项目发展

2016年，美国防高级研究计划局（DARPA）陆续授予多家公司“增强稳定性原子钟”（ACES）项目初始合同。本文全面系统介绍了该项目发展情况，并提出了两点看法。

一、项目发展经过

2016年1月21日，DARPA微系统技术办公室发布编号为DARPA-BAA-16-19的公告，征集主要在电池供电的便携式应用中部署使用，具有适当低的尺寸、重量和功耗的高稳定性时间保持设备的研发建议。项目预计总经费为5000万。从2016年8月23日开始，微系统技术办公室先后分8次、与8家公司签署了ACES项目的分阶段合同，详见表1。

▲表1  ACES项目合同授予情况

二、项目需求背景

DARPA提出“增强稳定性原子钟”项目，有着现实和长远的需求背景。

一是随着电子系统的发展对精确授时与同步系统的要求不断增加。精确授时与同步对美军通信、导航、侦察以及其他电子系统至关重要。随着电子系统数据传输速率更高、占据频谱日益拥挤、加密算法对时间依赖程度更高，对授时的精度和稳定性要求也日益增加。未来十年，这一需求还将继续增长，特别是在GPS拒止环境中进行精密授时，以及复杂巨系统位于分布式平台的组成部分之间进行同步的新要求不断出现。

通常情况下，美军战术系统的精密授时通过GPS接收机提供，这是尺寸、重量和功耗相对较低的一种本地授时源，并且直接与美国防部的主钟保持可追溯。由于GPS读数间存在噪声，且不连续，为提高短期稳定性，通常需要利用一个本地的授时基准（时钟）对本地GPS接收机进行增强。取决于平台应用需求不同，所部署的本地战术时钟往往需要在性能和尺寸/重量/功耗之间进行权衡选择，既有低成本、低尺寸/重量/功耗的机械式振荡器，也有相对高成本、高尺寸/重量/功耗的原子钟。

二是现有研究成果无法很好满足稳定性等要求。美军现有的电池供电授时源存在一些问题，如两次启动之间频率出现变化，存在长期频率漂移，频率对温度的敏感度过高等，往往限制了电子系统的任务应用空间。例如，根据DARPA“芯片级原子钟”（CSAC）项目研制的目前性能最好的电池供电时钟，在相同尺寸/重量/功耗条件下，其性能是机械式振荡器的100倍，但由于频率变化导致的重新跟踪误差，启动后往往需要6～12小时的校准时间，而由于温度灵敏度过高和频率漂移等因素，其支持的任务时间只有3～6小时。因此，对具有增强稳定性的电池供电原子钟的需求显得尤为迫切，特别是能够显著降低频率温度系数、长期频率漂移和频率可重复性的原子钟。

三、项目的研究基础和技术实现途径

频率温度系数、长期频率漂移和频率可重复性是限制传统芯片级原子钟性能的主要因素。这种限制由设备的基础结构决定，特别是缓冲气体约束的原子进行微波跃迁时的激光连续波探询。激光谱的变化和水蒸气分子特征随温度和时间发生变化，以及功率循环，导致所测量的原子跃迁频率发生变化，造成原子钟的频率和授时精度出现不稳定。

目前，美国已在实验室级和高尺寸/重量/功耗的工业设备中对原子约束和探询的其他方法进行了演示验证，主要包括：激光制冷和磁光捕获的原子样本；射频捕获的离子样本；对环境灵敏性更低的微波和光跃迁探询等。“增强稳定性原子钟”项目的目的就是充分利用这些现代原子物理技术开发稳定性、可重复性和环境灵敏性与实验室级铯束频率标准性能相当的便携式电池供电原子钟，要求启动后校准时间最短，且在相关作战环境中能在一定时期内保持准确的时间和频率。其主要通过低尺寸/重量/功耗部组件与先进原子物理探询技术的研发和集成来实现。

四、项目主要研究内容

“增强稳定性原子钟”项目重点关注两大技术领域：一是研制一部集成的原子钟样机，要求性能满足或超出项目确定的技术指标。要求交付完全集成的样机硬件，需要通过独立的政府验收评审。二是关于备用原子钟体系结构、部组件技术和探询方法的基础研究。交付的成果形式主要是技术报告。

每个技术领域包括概念验证、物理集成和时钟集成三个阶段。其中，技术领域1“ACES原子钟开发”三个阶段共计42个月，分别为：第一阶段为期18个月，主要在实验室条件下演示满足表2中稳定性指标要求的时钟的功能性；备选的第二阶段为期12个月，主要研制并演示满足表2中性能和SWaP要求的集成的物理包，以及所有真空、光电子和热控部组件，以及其他磁防护设备；第三阶段为期12个月，主要演示包含所有控制电子、功耗调节和封装的完全集成的原子钟是否满足表2中的所有性能要求。根据DARPA的要求，在第三阶段结束时，需要向政府试验设施提供两套完整的样机原子钟。

技术领域2“相关研究”包括一个基础阶段（第一阶段）、2个备选阶段（第二阶段和第三阶段），每阶段为期均12个月，共计36个月。相关研究主要研究与高性能、低尺寸/重量/功耗的ACES原子钟开发有关的创新性原子钟探询或体系结构/部组件技术。

技术领域1与2之间的关系是，技术领域1的建议书不能直接依赖技术领域2的成果；技术领域2的成果可能在后续阶段用于演示风险降低方法或将部组件集成到技术领域1。

▲表2 ACES项目技术领域1各阶段指标

五、ACES项目研发意义

通过分析比较ACES原子钟项目相关技术指标和美军现有芯片级原子钟技术水平，以及ACES重点技术领域设置，可以看出以下特点。

一是该项目重点围绕提高原子钟的稳定性开展研究。据2016年9月的消息，美高森美公司最新研制成功的改进型芯片级原子钟，体积为17立方厘米，功耗120毫瓦，月漂移率为9.0E-10，工作温度为-10℃～70℃。相比之下，ACES项目稍微降低了对体积和功耗的要求，却大大提高了体现稳定性特征的相关技术指标，如月漂移率提高了将近10000倍（第三阶段指标要求）。其结果是延长任务时间，实质是要求大大提高实战应用能力。

二是美军既重视实现先进能力，也重视开展相关基础研究。ACES项目关注的两大技术领域，分别体现了先进能力和基础研究两方面的要求。在处理两大技术领域关系时，要求先进能力自行开展研发，不得直接利用基础研究部分成果；而基础研究成果则可在日后用于降低项目风险或提高项目整体技术水平。

中国国防科技信息中心  赵利平

如需转载请注明出处：“国防科技要闻”（ID：CDSTIC）

觉得不错，请点赞↓↓↓