时间频率计量

出处：按学科分类—自然科学总论 北京出版社《现代科技综述大辞典上》第446页（4813字）

时间是物质存在的基本形式之一，它表示物质运动的连续性。

物质运动的先后和久暂就构成了时间的概念。在单位时间内周期运动重复的次数称为频率。

时间基本单位秒的定义大体经历3个发展阶段。1960年以前为平太阳秒，只能准到10^－8量级。

1960～1967年期间为历书秒，其定义以地球公转为基础，地球绕太阳公转一周称为一个回归年。1960年国际计量大会决定，取历元1900．0的回归年长度的3155625．9747分之一作为新的时间基本单位，称为历书秒。历书秒要经长期天文观测才能发现，3年时间能得到10^－9的复现精度。由于观测复杂、时间较长，所以历书秒只沿用到1967年，随后就被新的更稳定的周期性运动——原子振荡取代。

1967年的第13届国际计量大会正式决定于新的秒的定义：“秒是铯－133原子基态两个超精细能级之间跃迁所对应辐射的9192631770个周期的持续时间”。这种以微观粒子的量子跃迁导出的时间单位比以宏观天体运动导出的时间单位，准确度提高了4～5个数量级。

时间有两个含义：一是时间间隔，二是时刻。人们为了标定一些事件、现象以及运动过程发生的迟早关系，就需建立一个时间坐标，称为时标。

目前世界上主要存在3种时标，即世界时(UT)、历书时(ET)和原子时(AT)。

各国为了有一个统一的时间标准，成立了巴黎国际时间局(BIH)，它把世界各地的地方原子时联系起来，并根据各地大铯钟的相互比对、归算而保持的一种原子时系统即国际原子时(TAI)，目前TAI的准确度为1×10^－13，稳定度为10^－14量级。

世界时的时刻准确地反映着地球自转的角位置，为天文、大地测量等许多方面所需要，但它给出的时间间隔不够稳定。在许多科研和无线电通讯等领域要求更稳定更准确的时间间隔，不要求准确的时刻。

为了统一，产生了协调世界时(UTC)，其特点是：所给出的时间间隔稳定度和准确度与国际原子时相同，但所给出的时刻与世界时靠近。协调世界时的起点是1960年1月1日零时。从1972年起，改为它的秒与原子秒保持严格一致，而时刻与世界时的差控制在不超过±0．95s。当有可能超过时，就通过增减1整秒(闰秒)的办法进行协调。1974年，国际会议决定把协调世界时作为国际法定时间。

目前世界各国用于复现和保持时间单位秒的基准是铯原子束时间频率基准(简称铯基准)。在这种基准的世界各国中以原联邦德国(PTB)、加拿大(NRC)、美国(NBS)达到的准确度最高，其中PTB为2×10^－14，NRC为5×10^－14，NBS为8×10^－14。它们的稳定度都在1×10^－14以上(指平坦区)。

其它如英国、日本、原苏联等国的原子频率基准准确度在(2～5)×10^－13量级。中国于1981年建立铯束频率基准，频率的不确定度为±8×10^－13，从1984年至1986年12月对频率基准全面改进，改进后的铯束频率基准，频率准确度优于3×10^－13。

小型商品铯束原子频率标准是使用最广泛的原子频标，准确度为(0．7～1)×10^－11。

主要技术关键是制造密封的长寿命铯束管。

原子频标准除铯标外，还有氢频标、铷频标等。国外最好的氢频标，其稳定度已达10^－14～10^－15量级。但由于“壁移效应”带来频移，使其不确定度只有10^－12量级，还未被国际计量大会采纳作为时间频率基准。铷汽泡型原子频标的准确度一般为1×10^－11，各国均已作商品生产。

在新的原子频标研究方面，国外正积极开展对未来基准的开拓性研究，已发现光选态的铯束装置和激光冷却的离子贮存较有可能成为未来的基准，不确定度可望降低到10^－14～10^－15。中国近年来开展的激光选态铯束装置的研究迈出了对未来时频基准探索的第1步。

石英晶体频标是在时间频率计量中获得广泛应用的频率标准，它主要由高性能石英晶体谐振器、稳定的振荡电路和结构完善、控温良好的精密恒温箱组成。为了得到石英晶体谐振器的良好谐振效果，晶体片必须严格按照一定方位切割，广泛采用的切型是AT切型。

国外在石英谐振器研制上有较大的突破，研制出一种称为BVA(无极型晶体)谐振器的新结构。晶体的支撑也不用金属而改用石英，它把晶体振荡器的老化率、幅度——频率效应以及对加速度的灵敏度降低了近一个数量级。此外，人们还研制出更加理想的SC切型，该晶体具有综合优良性能的谐振器，它是石英晶体谐振器发展的一个重要标志。近年来，采用离子束致薄技术，可大大地提高石英片的基频，为微波晶振提供精密石英晶体揩振器。利用离子束致薄技术，已制造出基频为100～300MHz甚至更高频率的谐振器。

由于高Q值的晶体决定晶体频标具有优良的频率稳定度，目前可供使用的最好的晶体频标，其稳定度σ_y(τ)可达10^－13量级(τ=1s～1d)，日老化率达几乘10^－12／d。

中国从1980年开始的2年一度的全国高稳晶振比对情况研讨，反映了在高稳晶振生产、研制上达到较高水平，其中最好的在老化率和短期频率稳定度(秒稳)方面已接近国外先进水平，老化率为几乘10^－12／d，σ_y(τ)可达10^－13量级(τ=1s～1d)，相位噪声谱L(f_m＞10kHz)优于－150dB／Hz，非谐波抑制能力优于－70dB。

时间频率标准信息可通过电磁波传播。很多国家建立了专门发播标准频率和时间信号的无线电台。这些发播台按载频可分为高频、低频、甚低频和甚高频。

罗兰C是美国海军的双曲线定位导航系统，它的信号时刻和美国海军天文台的UTC进行精密同步。它在全球有7个链，每个链由3～4个台站组成，用其地波传播给出微秒级的定时精度，频率同步精度为1×10^－12s／d。

目前我国已建立了与罗兰C相仿的授时导航兼用台——中国科学院陕西天文台负责的BPL长波授时台(兼导航链中的主台)。

随着电视技术的发展，利用电视传递时间频率信息是当今的重要手段。1967年捷克Tolman等人提出利用电视信号中某行同步脉冲作为参考信号，进行时刻同步，称为无源电视同步。中国于1974年建成了无源电视同步系统。

随后，采用有源电视时间同步，将标准时刻、标准频率以及编码插入行同步信号中去。用户利用有源电视接收系统和译码器将时码和1PPS用于精密时间比对，还可取出1MHz标准频率进行频率比对。

中国从1981年开始，由中国计量科学研究院与中央电视台合作，在中央电视台放置一台准确度优于±2×10^－12的铯原子频标，由它产生电视广播的副载频，然后通过电视网络传到全国各地，用户利用彩色电视副载频校频仪进行校频，30min的取样时间可把本地频标校准到5×10^－12。

自从1957年第1颗人造卫星上天以来，利用卫星进行标准时间频率传递和精密测量是一种主要的途径，是建立全国统一的时间频率服务及国际远距离时间频率比对的有效方法。

中国于1979年通过“交响乐”卫星与西德比对，时间同步精确度(1σ)达10ns，准确度(3σ)达80ns。与法国进行比对，时间同步精确度(1σ)为10ns，准确度约为100ns。

近年来，通过我国自行发射的通信卫星，利用数字信道，得到的时间同步精度为1ns。

目前，美国研制GPS(Navstar Global Positioning System)是导航性全球定位系统，是80年代高技术应用传递时间频率一种新方法。

该系统不仅能实现全球的高精度定位和测速，同时用于全球高精度的定位和测速，同时用于全球高精度的时间频率同步。三维定位精度可达16m，单站接收时间同步准确度优于100ns，时间同步的稳定度优于15ns。GPS建成后的空间星座包括均匀分布在3个圆形轨道上的21颗工作卫星和3颗备用卫星，它们绕地球的周期为12h。具有三维定位的高精度的时间传递和时间同步。

1985年5月第10届秒定义咨询委员会正式通过决议，今后采用GPS共视法作为国际时间频率比对的手段。中国于1987年在北京——西安首次进行了GPS其视法时间同步试验，经试验表明，单站接收一颗GPS卫星可实现25ns以内的时间同步，经平滑处理后，可实现15ns的同步。两站共视一颗GPS卫星，可实现15ns以内的时间同步，经平滑处理后，可实现10ns的时间同步。

频率稳定度是时间频率标准的重要特性指标，美国从50年代开始研究，在70年代初就得了成效，提出了用频域和时域表征频率稳定度特性。

国际上在1982年对频率稳定度特性表征提出推荐意见。频域用S_y(f)、S_φ(f)、S_φ(f)和S_χ(f)中任何一个均可作为频域量的频率稳定度的定义；时域是以相对频率起伏的采样方差，推荐N=2，T=z的阿仑(Allan)方差，记为σ_y²(τ)。

从方差与相位噪声谱密度之间关系表明，调相白噪声和调相闪变噪声的斜率一致，这意味着使用阿仑方差不能将其两种噪声区别开来。为了解决此模糊点，提出了修正的阿仑方差，进一步完善了阿仑方差的理论。

频率和频率稳定度测量是时间频率计量的主要内容，时间频率测量用电子计数器来实现的。电子计数器自50年代初问世以来，随着电子元器件和计算技术的发展和应用，电子计数器向着提高频率上限，采用大规模集成电路、扩展功能、程序控制以及采用多周期同步技术、模拟内插技术、数字激标内插技术、自动触发和计算技术等，并研制和生产了高速计数器、计算计数器、等精度计数器、毫赫计数器、高精度时间间隔计数器以及自动微波计数器。

频率稳定度时域测量利用频差倍增技术、鉴相方法及比相方法等；并随着低噪声混频器应用，还广泛采用差拍和鉴相测量方法。

美国HP公司相应地研制和生产了HP5390A和HP3047A频率稳定度分析仪。

美国阿仑提出了DMTD系统即双混频时差测量系统，该系统测量灵敏度为1×10^－13τ^－1，是目前国际上最高的测量系统，频域测量采用鉴相法。据1976年报导，噪声底部可达－176dB／Hz，利用相关技术，还可改善为20～40dB。

我国频率稳定度测量进展较快，已经建立了国家标准，时域测量达10^－13τ^－1量级，频域测量优于－170dB／Hz以上，已接近国外先进水平。在生产频标比对器方面，已经达到10^－12～10^－13τ^－1量级的测量灵敏度，对相关技术应用频域测量也有所进展，并研制了对射频脉冲信号频率稳定度测量的测量系统。

。【参考文献】：

1 Barnes J A，et al．IEEE Trans，1971，5(2)∶105～120

2 Wall F L．freq cont，1976，269～247

3 Allan D，Barnes J．Frequency control，1981，5∶470～476

(中国计量学院杨大豪副教授撰)