Signal Processing Applied to Primary Frequency Standards : Enhancement of Their Accuracy and Stability.
Traitement de Signal Appliqué aux Etalons Primaires de Fréquence : Amélioration de leur Exactitude et de leur Stabilité
Résumé
The definition of the second is based, since 1967. on the atomic proprieties of the caesium atom. An atomic clock is the devise that realises this definition. This is achieved with a limited precision because of many perturbations. Every enhancement in tue performance of atomic docks is welcome bv the present and future applications that use these docks.
The aim of this thesis work is to enhance the performances of the primary frequency standard (JPO) of the BNM-LPTF.
The resuits obtained during this thesis could be resumed by the following performances:
A global uncertainty of 6,3 x 10-15 and a short term stability of 3 x 10-13/sqrt(t) where t is the integration time in seconds. Theses enhancements make our JPO frequency standard the best atomic beam frequency standard in the world.
Theses good resuits are due to many factors:
1) A control of the Micro-wave leakage level inside the Ramsey cavity which was designed and realized during this thesis.
2) New signal processing methods (regularization, inverse problems, cepstral analysis. ...) that we have introduced in the evaluation process.
3) A new study of the frequency control loop based on a dynamical model that was developed to represent the different noises contribution to the stability. This study was materialized by the implementation (hardware and software) of a digital servo loop of a very high quality.
The aim of this thesis work is to enhance the performances of the primary frequency standard (JPO) of the BNM-LPTF.
The resuits obtained during this thesis could be resumed by the following performances:
A global uncertainty of 6,3 x 10-15 and a short term stability of 3 x 10-13/sqrt(t) where t is the integration time in seconds. Theses enhancements make our JPO frequency standard the best atomic beam frequency standard in the world.
Theses good resuits are due to many factors:
1) A control of the Micro-wave leakage level inside the Ramsey cavity which was designed and realized during this thesis.
2) New signal processing methods (regularization, inverse problems, cepstral analysis. ...) that we have introduced in the evaluation process.
3) A new study of the frequency control loop based on a dynamical model that was developed to represent the different noises contribution to the stability. This study was materialized by the implementation (hardware and software) of a digital servo loop of a very high quality.
La définition de la seconde est basée, depuis 1967, sur les propriétés atomiques de l'atome de césium. Une horloge atomique est l'instrument qui permet de réaliser cette définition avec une exactitude limitée par plusieurs sources de perturbations. Toute amélioration dans les performances des horloges atomiques est la bienvenue pour les diverses applications, actuelles et futures, qui utilisent ces horloges. L'objet de ce travail de thèse est d'améliorer les performances de l'étalon primaire de fréquence (JPO) à jet de césium du Laboratoire Primaire du Temps et des Fréquences. Les résultats obtenus se traduisent par les performances suivants : Notre Horloge JPO est maintenant l'horloge, à jet thermique, la plus exacte au monde, avec une exactitude de 6,3 x 10-15. Elle est également l'horloge à jet thermique la plus stable, avec une stabilité à court terme de 3 x 10-13/sqrt(t) où t est le temps d'intégration en seconde.
L'obtention de ces bons résultats est liée à la maîtrise des fuites micro-ondes grâce à la conception et à la réalisation d'une cavité de Ramsey. La bonne exactitude est due aux nouvelles techniques de traitement du signal (problèmes inverses, régularisation. analyse cepstrale, ...) que nous avons introduites pour mieux évaluer les effets perturbateurs. La bonne stabilité profite de l'étude détaillée du système d'asservissement dans une horloge ainsi que de la réalisation matérielle et logicielle d'une boucle d'asservissement numérique de haute qualité.
L'obtention de ces bons résultats est liée à la maîtrise des fuites micro-ondes grâce à la conception et à la réalisation d'une cavité de Ramsey. La bonne exactitude est due aux nouvelles techniques de traitement du signal (problèmes inverses, régularisation. analyse cepstrale, ...) que nous avons introduites pour mieux évaluer les effets perturbateurs. La bonne stabilité profite de l'étude détaillée du système d'asservissement dans une horloge ainsi que de la réalisation matérielle et logicielle d'une boucle d'asservissement numérique de haute qualité.
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