Traitement de Signal Appliqué aux Etalons Primaires de Fréquence

319 Pages·2017·3.27 MB·French

by  Alaa Makdissi

Traitement de Signal Appliqué aux Etalons Primaires de
Fréquence: Amélioration de leur Exactitude et de leur
Stabilité
Alaa Makdissi
To cite this version:
Alaa Makdissi. Traitement de Signal Appliqué aux Etalons Primaires de Fréquence: Amélioration de
leur Exactitude et de leur Stabilité. Traitement du signal et de l’image [eess.SP]. Université Paris Sud
- Paris XI, 1999. Français. ￿NNT: ￿. ￿tel-00011625￿
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ORSAY

N° D’ORDRE : 5844

UNIVERSITE DE PARIS-SUD

U.F.R SCIENTIFIQUE D’ORSAY

THESE

présentée

Pour obtenir

Le GRADE de DOCTEUR EN SCIENCES

DE L’UNIVERSITE PARIS XI ORSAY

PAR

Ala’a MAKDISSI

SUJET :

Traitement de Signal Appliqué aux Etalons

Primaires de Fréquence : Amélioration de leur
Exactitude et de leur Stabilité

Soutenue le 24 septembre 1999 devant la commission d’examen:

M. Claude AUDOIN

M. Andreas BAUCH

M. Emeric DE CLERCQ (invité)

M. Michel GRANVEAUD (Directeur de thèse)

M. Ali MOHAMMAD-DJAFARI

M. Pierre THOMANN (rapporteur)

M. François VERNOTTE (rapporteur)

A mes parents

Abstract:

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 10-15 and a short term stability of 3 10 -13 t-1/2 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.

Résumé :

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 10-13 t-1/2 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.

R
EMERCIEMENTS

Cette thèse a été effectuée au Bureau National de Métrologie - Laboratoire Primaire du
Temps et des Fréquences. Je remercie Michel Granveaud de m’y avoir accueilli et avoir ac-
cepté de diriger cette thèse.
J’ai eu le plaisir et la chance de travailler sous l’orientation d’Emeric de Clercq qui m’a
fait profiter en toute sympathie de sa grande compétence sur le plan expérimental et théori-
que. Ses compétences et sa gentillesse en font un collègue de travail très agréable. Je le re-
mercie sincèrement.
Je remercie vivement André Clairon pour les nombreux éclairages théoriques et « coups de
main » expérimentaux dont il m’a fait bénéficié.
Je remercie Claude Audoin, Andréas Bauch et Ali Mohammad-Djafari pour l’intérêt
qu’ils ont manifesté à l’égard de cette thèse en acceptant de faire partie du jury et pour
leurs commentaires judicieux sur le manuscrit. Je remercie tout particulièrement Pierre
Thomann et François Vernotte pour avoir accepté de faire partie du jury en qualité de
rapporteurs. Leurs remarques m’ont été précieuses.
Jean Paul Berthet a contribué à toutes les mesures et à la réalisation de plusieurs montages
- démontages de l’horloge. Je le remercie pour sa disponibilité. Merci également à Nicolas
Dichard qui a assuré le dernier assemblage de l’horloge avec beaucoup de soins et une pa-
tience à toute épreuve.
Pierre Aynié a dessiné toute l’horloge. Il a participé efficacement aux différentes étapes de
conception et de réalisation de la cavité. Je le remercie sincèrement pour sa précieuse colla-
boration.
Daniele Rovera m’a souvent posé des questions et des problèmes intéressants. Je le remercie
pour son intérêt à mon travail.
Les services techniques de l’Observatoire de Paris m’ont fourni une aide précieuse dans
une atmosphère très chaleureuse et sympathique. Merci en particulier aux mécaniciens de
l’atelier de Paris qui ont aidé au réglage de la cavité.
J’exprime ma gratitude à l’ensemble du personnel du LPTF et toutes les personnes qui ont
contribué à l’avancement de mes travaux.
- 1 -
Remerciements
Je tiens tout particulièrement à remercier pour leur soutien administratif et technique Ca-
therine Laurent, Marie-Ange Ragot, Annie Gérard et Pascal Blondé.
Merci à mes amis qui m’ont aidé durant la rédaction de ce mémoire. En particulier, Je
remercie Emeric de Clercq, Michel Dequin et Véronique.
Je ne pourrais pas oublier les moments agréables passés avec mes collègues du LPTF. Mer-
ci à ceux que j’ai le plaisir de côtoyer : Ouali Acef, Pierre Uhrich, Giorgio Santarelli,
Christophe Andréucci, Michel Lours, Laurent Volodimer, André Campos, Raymond
Tourde, Monique Prodhomme et Monsieur Georges Fréon . Un merci particulier pour les
thésitifs : Driss, Selma, Messaoud, Eric, Monica, Pierre, To, Albane, Yvan, Sébas-
tien,Shougang et Michel.
Je suis reconnaissant à Maglonne Chambon et au Bureau National de Métrologie pour
leur soutien constant.
Je ne sais pas comment remercier les gens qui m’ont soutenu pendant une période très criti-
que de ma vie. Au LPTF, je suis reconnaissant à Michel Granveaud et à Emeric de
Clercq. Je remercie Farida de tout mon cœur pour sa patience et sa présence. Ce travail
n’aurait pas vu le jour sans elle.
- 2 -
T
ABLE DES MATIERES

REMERCIEMENTS ....................................................1
TABLE DES MATIERES..............................................3
INTRODUCTION .......................................................9
CHAPITRE 1. PRINCIPE DE L'HORLOGE .................13
1.1. Introduction.....................................................................13
1.2. Principe de l’horloge........................................................16
1.3. Mise en évidence de la transition.....................................19
1.3.1. Pompage à un laser.................................................................19
1.3.2. Pompage à deux lasers.............................................................20
1.3.3. Détection optique.....................................................................21
1.4. Conclusion........................................................................22
CHAPITRE 2. MONTAGE EXPERIMENTAL..............25
2.1. Le Tube............................................................................25
2.1.1. Le vide....................................................................................26
2.1.2. Le Four et le Jet.....................................................................27
2.1.3. Le champ magnétique statique..................................................27
- 3 -