微型原子钟可大大缩短军用GPS设备解码时间(图)

DARPA的研究人员设计的原子钟的尺寸仅仅只有1立方厘米，可以直接安装在电路板上。它的计时非常精确，可以帮助作战部队快速重捕卫星导航信号，同时也可以提高跳频电台的发送频率以增加通讯带宽。

　　一种尺寸只有食糖颗粒大小的微小装置将会给传感器和军事通讯技术带来巨大的变革，它就是微型原子钟。微型原子钟的主要功能是为跳频电台同步通讯频率和接收导航卫星的下行信号，它的原型已经处于测试阶段，测试结果决定了它是否可以立即应用到军事领域。

　　DARPA(国防项目高级研究室)的微型原子钟项目旨在设计一种小型化低功耗的原子授时和频率校对装置。在安全性要求非常高的特高频率通讯系统和无阻塞GPS接收机、GPS传感器，GPS制导武器中，这种原子钟将发挥关键作用。考虑到微型原子钟必须能够在军方大量使用的掌上通讯终端和其它一些小型设备上安装使用，DARPA位于弗吉尼亚的阿灵顿实验室的研究人员运用了先进的纳米技术和微型机械制造工艺，他们设计的微型原子钟只有1厘米见方。

　　微型原子钟的定时极其精确，这对现代军用通讯设备来说至关重要。DARPA微型原子钟项目的经理艾米特劳强调指出：“对于大多数的现代无线电通讯设备而言，都是将信息分割为较小的数据包加以发送的”。假设一个步兵排中有许多人同时在进行通讯，那么为了使这些通讯设备共享同一个发送频率，就必须给他们分配不同的发送时间段。只要确保相邻的发送时段之间留有足够的隔离时段，这些在同一个频率发送的数据包就不会彼此重叠和干扰。这种分时发送的特点确保了就算设备在没有完全同步的情况下，仍然可以进行通讯。DARPA的微型原子钟为每一台通讯终端设备提供的授时服务的精度非常之高，可以大大降低隔离时段的长度，使得数据发送速率提高一倍。艾米特劳说：“无线电通讯需要同步网络中各个终端通讯设备，而终端设备的计时精度越高，网络同步所需要的时间也就越短。”

　　微型原子钟的另一个应用领域是无阻塞导航。GPS卫星导航系统一直存在着一个问题，即当出现遮挡或其它情况时，GPS导航设备的信息收发会受到干扰或发生阻塞。现在的导航设备需要同时接驳4颗导航卫星才能进行精确的定位。如果由于阻塞或干扰的原因，只能接驳1颗或2颗卫星，那导航设备将和GPS信号失去同步，无法进行定位。举个例子说，当我们的突击队员进入了一幢大楼，他们接收不到GPS信号，如果当他们出来时遭到敌人攻击，立即请求炮兵的火力支援，那炮兵指挥官就只能翻地图计算突击队员的位置了。

　　但是如果他们的GPS接收机安装了DARPA的微型原子钟，由于原子钟的极高精度，就算进入大楼后失去GPS信号长达数小时，他们的GPS接收机仍然可以和GPS信号保持时钟同步。这种精确的计时能力使得当突击队员走出大楼时，他们的GPS接收机几乎能够瞬间再次接收到GPS信号。艾米特劳补充说：“微型原子钟在未来还有一个潜在的用途——为只接驳了1到2颗导航卫星的战斗机提供导航定位支持”。

　　微型原子钟同样可以支持精度很高的高速GPS时钟频率。艾米特劳说：“军用GPS系统的信号识别采用的是非常长的伪随机编码方式。这些编码防止民用GPS接收机解析军用密码和定位信息。但是缺点在于，军用GPS设备解析这些冗长的编码需要花费2分钟。如果有DARPA的微型原子钟，那解码时间就可以骤减到数秒甚至数毫秒”

　　微型原子钟同样适用于手持低功耗通讯设备和个人导航仪。艾米特劳指出，一般的商用原子钟的功率大约是5瓦到10瓦。另外一方面，尺寸因素也很重要。现在能买到的最小的原子钟体积约为200立方厘米，但是高性能原子钟的体积要大得多，达到300立方厘米甚至更大，而且平均功率高达10瓦。相比之下，DARPA的微型原子钟体积降低了200倍，仅有1立方厘米，同时功率也降低到了30毫瓦。

　　尺寸的锐减得利于垂直空腔平面激光发射器的应用，而一般的商用原子钟在制造时则是使用的自然光源，原子钟的物理学基础是体积为1立方毫秒的气囊，气囊中含有诸如铷和铯的碱金属原子。激光器利用5毫瓦的功耗将这些金属原子加热到90摄氏度，然后测量受激原子的共振运动。艾米特劳说：“普通的商用原子钟需要3到4倍的能耗将金属原子加热到相同的温度”。

　　原子钟计时的原理是依靠数共振体的“滴答声”。在机械钟表内，共振体就是钟摆，钟摆的摆动频率是一秒一次。计时器的计时精度，取决于共振体能够在多大程度上精确的保持在同一个频率振动。原子钟利用原子频率作为共振体，当原子团发生共振时，每个原子的振动频率高度一致，这种稳定的“滴答声”提供了高精度的计时所需。

　　DARPA的微型原子钟不会产生多余的热量影响周围的电路，如此理想的热衰减效果的取得是由于使用了细长的“绳子”将原子钟从周围的电子系统中隔离了开来。“绳子”非常的细，横截面只有5*5微米见方，比人的头发丝还要细20倍。微型原子钟由“绳子”连接到芯片上，由于“绳子”太细，所以原子钟工作时产生的热量不能通过这些“细绳”传导到芯片上。

　　 微型机械制造工艺是推动DARPA微型原子钟项目的关键所在，艾米特劳解释说：“我们采用了将玻璃和硅片连接到一起的技术，这使得研究人员能够精确的控制原子钟的内部特性”。另外，原子钟外部封装的好坏也非常的重要，因为原子钟可能会长年累月地暴露在含有活性金属的环境中，并且，原子钟里面的铷和铯一旦接触氧气就会燃烧。

　　现在生产技术水平比较高的商用原子钟使用玻璃管包裹金属原子，但是玻璃管的尺寸太大，导致加热金属原子时所需的功耗较大。不同于此，DARPA的微型原子钟使用的是微型机械制造工艺，加热原子所需的功耗要小得多，同时向外部电路传导的热量也非常少。