計量方法與誤差理論CH時間頻率計量

第1節(jié)時間頻率計量測試1.基本概念

時間、時間間隔、時刻、時標、頻標時間：基本的物理量，單位秒（兩層含義：時間間隔、時刻）。在單位時間間隔內(nèi)重復(fù)、循環(huán)的次數(shù)為頻率時間間隔：連續(xù)流逝的時間中兩個瞬時之間的間隔，其中任何一點的瞬時稱為時刻。時標：能給各個事件賦予時刻的時間參考標尺的簡稱。頻標：頻率的參考標尺，頻率標準時間頻率計量測試2.時標世界時（UT,UniversalTime）:以地球自轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時間計量系統(tǒng)。以地球自轉(zhuǎn)周期(1天)確定的時間，即1/(24×60×60)=1/86400為1秒。其誤差約為10－7量級。參考點：

平太陽時(meansolartime)：由于地球自轉(zhuǎn)周期存在不均勻性，以假想的平太陽作為基本參考點。

零類世界時（UT0）：以平太陽的子夜0時為參考。

第一類世界時（UT1）：對地球自轉(zhuǎn)的極移效應(yīng)（自轉(zhuǎn)軸微小位移）作修正得到。

第二類世界時（UT2）：對地球自轉(zhuǎn)的季節(jié)性變化（影響自轉(zhuǎn)速率）作修正得到。準確度為3×10－8

以本初子午線的平子夜起算的平太陽時，又稱格林威治平時或格林威治時間。時間頻率計量測試歷書時（ET,ephemeristime

）:以地球公轉(zhuǎn)為基礎(chǔ)的時間計量系統(tǒng)。公轉(zhuǎn)周期（1年）的31556925.9747分之一為1秒。參考點為1900年1月1日0時（國際天文學(xué)會定義）。準確度達1×10－9

。于1960年第11屆國際計量大會接受為“秒”的標準。原子時（atomictime），以物質(zhì)的原子內(nèi)部發(fā)射的電磁振蕩頻率為基準的時間計量系統(tǒng)，一種均勻的時間計量系統(tǒng)。原子時的初始歷元規(guī)定為1958年1月1日世界時0時，秒長定義為銫-133原子基態(tài)的兩個超精細能級間在零磁場下躍遷輻射9192631770周所持續(xù)的時間。原子時的秒長規(guī)定為國際單位制的時間單位，作為三大物理量的基本單位之一。由于世界時存在不均勻性和歷書時的測定精度低，1967年起，原子時已取代歷書時作為基本時間計量系統(tǒng)。協(xié)調(diào)世界時（coordinateduniversaltime，UTC

）:又稱世界統(tǒng)一時間，世界標準時間。以國際制秒(SI)為基準，用正負閏秒的方法保持與世界時相差在一秒以內(nèi)的一種時間。協(xié)調(diào)世界時是以原子時秒長為基礎(chǔ)，在時刻上盡量接近于世界時的一種時間計量系統(tǒng)。位于巴黎的國際地球自轉(zhuǎn)事務(wù)中央局負責(zé)決定何時加入閏秒。一般會在每年的6月30日、12月31日的最后一秒進行調(diào)整。應(yīng)用：網(wǎng)絡(luò)時間協(xié)議時間頻率計量測試原子頻率標準

基本原理——量子理論：

原子和分子只能處于一定的能級，其能量不能連續(xù)變化，當(dāng)它們由一個能級向另一個能級躍遷時，就會以電磁波形式輻射或吸收能量，其頻率嚴格決定于二能級間的能量差。（h=6.6252×10-27為普朗克常數(shù)）

時間頻率計量測試3.時間頻率標準可從時間標準導(dǎo)出的頻率標準。包括精密鐘、音叉、高穩(wěn)定石英晶體振蕩器和各種原子頻率標準（時間和頻率共用一個基準）石英晶體振蕩器

(1)銫原子頻標國際規(guī)定的復(fù)現(xiàn)秒定義的標準裝置。大銫鐘和小銫鐘。準確度10-14,長期穩(wěn)定度10-14

時間頻率計量測試(2)氣泡型銣原子頻標造價低、體積小，使用最多的原子頻標準確度10-11（不適合作一級標準）穩(wěn)定度10-11-10-12缺點：頻移，必須用銫標準定標(3)氫原子頻標

主動型氫激射器，從氫原子中選出高能級的原子送入諧振腔，原子從高能級向低能級躍遷，輻射出頻率準確的電磁波。長/短期穩(wěn)定性好10-14—10-15準確度10-12缺點：結(jié)構(gòu)龐大復(fù)雜，價格昂貴時間頻率計量測試4.頻率穩(wěn)定度◆頻率準確度 頻率源輸出的實際頻率值fx對其標稱值f0的相對頻率偏差。即：◆頻率穩(wěn)定度

頻率準確度只能表示當(dāng)前測量（取樣時間）的準確度，它是時間t的函數(shù)。頻率準確度隨時間的變化即為頻率穩(wěn)定度。它表征頻率源維持其工作于恒定頻率上的能力。長期、短期穩(wěn)定度：長期——年、月、日；短期——秒級。時間頻率計量測試1）長期頻率穩(wěn)定度的表征

長期穩(wěn)定度是指石英諧振器老化而引起的振蕩頻率在其平均值上的緩慢變化，即頻率的老化漂移。-日老化率對石英振蕩器，通常用一天內(nèi)的頻率平均漂移作為長期穩(wěn)定度的表征，叫做“日老化率”。（如時間軸的時間取為一天）日老化率的測量：每天的“日老化率”會有所變化，實際中連續(xù)測一周或一個月。設(shè)每天測一個數(shù)據(jù)，共測n天，得f1,f2,…,fi,…fn,利用最小二乘法擬合得到老化曲線:

則其斜率(估計值)相對f0比值即為日老化率。

最小二乘法：時間頻率計量測試日波動定義

晶體振蕩器除老化漂移外，一天內(nèi)還將產(chǎn)生頻率的隨機起伏。日波動綜合表征了老化漂移和隨機起伏。日波動是指頻率源在24小時內(nèi)最大相對頻率變化。日波動的測量：根據(jù)檢定規(guī)程，測量日波動時可每隔1小時測量一個數(shù)據(jù)(每次測量的取樣時間T>=10s),連續(xù)測24小時，共得25個數(shù)據(jù)，取出fmax和fmin，用下式計算。

時間頻率計量測試2）短期頻率穩(wěn)定度的表征：時域定義：在時域內(nèi)用相對頻率起伏來表征頻率的不穩(wěn)定性；

對瞬時頻率f(t)作有限次（n次）測量，得到f1、f2、…、fn，用貝塞爾公式計算其估計值：頻域定義：在頻域內(nèi)用相位噪聲來表征頻率的不穩(wěn)定度

fi’和fi為相鄰（無間隙）兩次測量值，并將其作為一組，共進行m組測量得到2m個數(shù)據(jù)。描述了相鄰兩次頻率值的起伏變化短穩(wěn)的測量方法:差頻倍增法（1）時間間隔的計量 兩個信號分別控制閘門開啟和關(guān)閉

5.時間頻率的計量時間頻率計量測試利用時間間隔的測量，可以測量兩個同頻率的信號之間的相位差。時間頻率計量測試THANKYOUSUCCESS2023/12/1213可編輯時間頻率計量測試直接計量法測頻 規(guī)定的閘門時間內(nèi)，對被計量信號進行計數(shù)

（2）頻率值的計量標頻晶體振蕩器所產(chǎn)生的穩(wěn)定的頻率信號分頻產(chǎn)生準確的時基信號（如秒信號），并用它控制一個閘門。被測信號經(jīng)過該閘門后，由計數(shù)器計數(shù)。當(dāng)時基信號為1s時，所計數(shù)的結(jié)果就嚴格等于被測信號的頻率值。量化誤差及精度（10-7～10-10）時間頻率計量測試差頻周期法測頻

將被計量信號與標準頻率信號混頻，取出差拍信號，然后用測周法測出差拍信號的頻率

時間頻率計量測試原理：當(dāng)兩個頻率值相近的頻標信號混頻后再測量其差拍周期值時，對差拍周期的測量精度反映到對被測信號的測量精度時提高了一個倍增因子。該因子就等于被測信號頻率與差拍信號頻率的比值，常?？梢园褱y量精度或分辨率提高數(shù)萬到上百萬倍。頻差倍增法測頻 將差拍信號周期擴大，再進行測量以提高精度時間頻率計量測試若被測頻率fx=1.0001MHz，標準頻率信號f0=1MHz，閘門時間1秒，欲把±1誤差產(chǎn)生的測頻誤差減少到10-9，問倍增器的倍增系數(shù)mn應(yīng)取值多大？時間頻率的計量相位重合法測頻——相檢寬帶測頻法

最大公因子頻率：對任意兩個頻率信號f1和f2，當(dāng)f1=A*f0，f2=B*f0時（A、B為互素正整數(shù)），f0就是f1和f2之間的最大公因子頻率fmaxc。

最小公倍數(shù)周期Tminc: 在一個Tminc內(nèi)，兩信號間的相位差狀態(tài)都有一些值，它們分別等于信號間的相對初始相位差加0,,2,…時間頻率的計量相位比較法測頻線性比相法FIG5-2-2頻標比對鑒相器輸出的電壓或電流信號與兩個信號的相位差成正比

時間頻率的計量時差法與雙混頻器時差法將頻率信號轉(zhuǎn)化為時間信號，送到時間間隔計數(shù)器計量時差。雙混頻器時差法引入中介源，P116FIG5-7-1通過雙重混頻，信號間的時差被倍增了6.時間頻率量值的傳遞直接檢定搬運鐘比對利用電磁波信號接收比對

（1）利用電視信號（2）利用衛(wèi)星

GPS全球定位系統(tǒng)俄全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（格羅納斯）歐洲“伽利略”衛(wèi)星導(dǎo)航北斗導(dǎo)航系統(tǒng)時間頻率的計量搬運鐘比對

利用汽車、飛機或輪船等交通工具將由頻率標準、數(shù)字鐘、直流電源或電源變換器等組成的便攜鐘由時間參考點搬至需時間同步或比對的地點測試,然后再返回時間參考點。

方法：在一個參考點把鐘同步好,搬運到需要同步和測試的地方,用時間間隔計數(shù)器在各測試點進行測試比對,返回參考點后再和參考鐘比對,在閉合時間內(nèi)可測得搬運期間累積的鐘誤差。時間頻率的計量利用電磁波信號接收比對

發(fā)播方式分類高頻：2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz等短波臺低頻：100kHz數(shù)量級的羅蘭-C導(dǎo)航臺甚低頻：10-20kHz等Ω導(dǎo)航臺甚高頻：電視和衛(wèi)星通信（30MHz到300MHz）發(fā)播方式特點高頻發(fā)播：波長短穿透力強，靠高層的電離層反射，電離層不穩(wěn)定甚低頻發(fā)播：波長長穿透力差，低層電離層反射，比高層電離層穩(wěn)定， 存在日落日出效應(yīng)。低頻發(fā)播：地波傳播的相位穩(wěn)定度高，發(fā)送和接收設(shè)備昂貴。發(fā)播延時

d=S/V 天波V傳播速度等于光速C，地波需要作修正時間頻率的計量——利用電視信號

甚高頻頻段，波長短穿透力強，不受電離層反射而直線傳播，傳播延遲僅決定于發(fā)射和接收之間的直線距離。 電視信號覆蓋范圍小，通過中繼線路，延遲修正

無源事后同步：選定某一電視同步脈沖作公共參考信號，分別計量出各個鐘與參考信號的時差，事后交換數(shù)據(jù)，得到各鐘之間的關(guān)系。有源實時同步：將時間編碼和標準頻率信號插入電視廣播的場回掃逆程中的某一行內(nèi)，隨電視節(jié)目一起播出。用戶使用解碼器實時得到準確的時刻信息，使用鎖相振蕩器得到標準頻率。 利用彩色電視校準頻率

P159FIG8-1-23量值傳遞與檢定測試——利用衛(wèi)星的接收比