摘 要： 在測(cè)控、導(dǎo)航、雷達(dá)等領(lǐng)域，為保證時(shí)間和頻率的統(tǒng)一，需要對(duì)銣鐘及設(shè)備內(nèi)部的高穩(wěn)晶振進(jìn)行高精度頻率測(cè)量。闡述了建立銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置的系統(tǒng)方案，并依據(jù)規(guī)程JJG180?2002《電子測(cè)量?jī)x器內(nèi)石英晶體振蕩器》及JJF1059?1999《測(cè)量不確定度評(píng)定與表示》，對(duì)建立的銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置進(jìn)行不確定度評(píng)定，確保了量值溯源的科學(xué)性、可靠性。

關(guān)鍵詞： 銫原子頻標(biāo)； 高精度頻率測(cè)量； 高穩(wěn)晶振； 不確定度評(píng)定

中圖分類號(hào)： TN95?34；TP273+.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）03?0095?02

Establishment and uncertainty evaluation of cesium atom frequency standard device

PAN Hai?fei， WANG Wu?hua

（The 96 Detachment， Unit 91388 of PLA， Zhanjiang 524022， China）

Abstract： In the fields of measurement and control， navigation， radar， etc， it is necessary to carry out high?accuracy frequency measurement for the rubidium clock and highly stable crystal oscillation in the time system to guarantee the unification of time and frequency. The establishment scheme of Cesium atom frequency standard device is described this paper. Uncertainty of the established cesium atomic frequency standard is evaluated according to JJG180?2002 （Quartz Crystal Oscillator inside Electronic Measurement Instrument） and JJF1059?1999 （Valuation and Expression of Uncertainty in Measurement） to ensure reliability and scientificity of value traceability.

Keywords： cesium frequency standard； high?accuracy frequency measurement； high?stability crystal oscillation； uncertainty evaluation

0 引 言

時(shí)間頻率計(jì)量是計(jì)量測(cè)試領(lǐng)域非常重要的一個(gè)分支，尤其在測(cè)控、導(dǎo)航和雷達(dá)等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，時(shí)間頻率測(cè)量的重要性越來(lái)越得到各級(jí)計(jì)量檢定機(jī)構(gòu)的重視，為實(shí)現(xiàn)量值溯源的準(zhǔn)確、可靠，各級(jí)計(jì)量機(jī)構(gòu)都在大力發(fā)展與之相適應(yīng)的計(jì)量能力[1]。

隨著我軍裝備的發(fā)展，裝備的測(cè)試精度不斷得到提高，新建立的各種測(cè)控設(shè)備如時(shí)統(tǒng)設(shè)備、GPS校準(zhǔn)接收機(jī)和小型化銣鐘與時(shí)間頻率指標(biāo)密切相關(guān)，現(xiàn)有的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置在準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度等指標(biāo)上與這些新型電子測(cè)量設(shè)備相近，已無(wú)法滿足這些設(shè)備的計(jì)量檢定工作。

為提高計(jì)量/校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室時(shí)間頻率的計(jì)量檢定能力，建立準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度更高的銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)完成高指標(biāo)的高穩(wěn)晶振、GPS接收機(jī)以及小型化銣鐘的計(jì)量檢定具有重要的意義。

1 系統(tǒng)硬件組成

計(jì)量系統(tǒng)由Datum 4040A型銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)、P07C型頻標(biāo)比對(duì)器、SSl991型納秒通用計(jì)數(shù)器、SS2901A型程控射頻開(kāi)關(guān)和主控計(jì)算機(jī)等組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

頻差倍增法是時(shí)間頻率計(jì)量中最常用也最有效的方法[2]，時(shí)間頻率的計(jì)量是非常精細(xì)的數(shù)值比對(duì)，采用頻標(biāo)比對(duì)器將標(biāo)準(zhǔn)頻標(biāo)和被測(cè)頻率差值進(jìn)行倍增放大，可大幅度提高測(cè)量的精度和分辨力[3]。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

頻標(biāo)倍增法所測(cè)量的是標(biāo)準(zhǔn)頻標(biāo)與被測(cè)頻率倍增后的差值，所測(cè)得的誤差是經(jīng)過(guò)每一級(jí)倍增后的誤差[Δf，]頻標(biāo)倍增法包含了多級(jí)的倍頻、混頻。系數(shù)[m]選擇10時(shí)，最后得到[f0+mnΔf=f0+10nΔf，]同時(shí)選用低噪聲的元器件設(shè)計(jì)相應(yīng)的濾波電路來(lái)消除倍增過(guò)程中產(chǎn)生的頻率分量等雜波，二次放大整形法是非常有效的濾波辦法，在頻差倍增檢測(cè)過(guò)程中，采用二次放大整形可以最大限度地減小觸發(fā)誤差對(duì)測(cè)試結(jié)果造成的影響，從而確保檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確、可靠。

頻差倍增法的倍頻、混頻是多次的疊加，實(shí)現(xiàn)了對(duì)頻率偏差多級(jí)放大的測(cè)量，與單次多倍的方法相比較，其測(cè)量精度得到了極大的保證[4?6]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 主程序

主程序的編寫主要是使用Microsoft Visual Basic 6.0完成的，在整個(gè)程序中，主程序起到的是數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)作用，通過(guò)它可以將各項(xiàng)測(cè)試參數(shù)定位到各自的測(cè)試模塊中去，而不會(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)干擾。

2.2 測(cè)試模塊

測(cè)試模塊是直接完成檢測(cè)項(xiàng)目的部件，它可以根據(jù)被測(cè)儀器的檢測(cè)項(xiàng)目，進(jìn)行檢測(cè)初始化以及完成其他各項(xiàng)目的檢測(cè)，將采集到的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的數(shù)組變量中，并與被測(cè)儀器說(shuō)明書提供的儀器指標(biāo)進(jìn)行比較，判斷該臺(tái)被測(cè)儀器是否合格。

2.3 輸出模塊

輸出模塊式是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移的模塊，它通過(guò)主程序從測(cè)試模塊接收數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成證書、報(bào)告等模式。輸出結(jié)果的內(nèi)容包括：原始數(shù)據(jù)、測(cè)量結(jié)果和檢定/測(cè)試證書。

2.4 故障診斷及系統(tǒng)維護(hù)模塊

一款可靠的軟件必須要具有良好的穩(wěn)定性和可靠性，為提高軟件的性能，分別設(shè)計(jì)了容錯(cuò)程序和故障診斷程序，通過(guò)冗余的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)設(shè)計(jì)，通過(guò)信息冗余、時(shí)間冗余等方式不僅能夠做到錯(cuò)誤診斷，同時(shí)還能提示出錯(cuò)的原因。

3 系統(tǒng)不確定度評(píng)定

不確定度評(píng)定是銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)建立的重要環(huán)節(jié)，各標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)室由于采用的銫原子標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)不同，對(duì)不確定的評(píng)定理解也不相同[7]?？紤]到Datum 4040A型銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際情況，主要通過(guò)以下幾個(gè)分量來(lái)完成該套標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評(píng)定。

3.1 標(biāo)準(zhǔn)及配套儀器的不確定度分析

（1） 上級(jí)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度影響引入的不確定度

[uB1=5×10-133=2.9×10-13]

（2） 銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率的不準(zhǔn)引入的不確定度

[uB2=（2×10-12）3=1.2×10-12]

（3） 銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)輸出頻率不穩(wěn)引入的不確定度

[uB3=（2.1×10-11）3=1.2×10-11]

（4） 頻標(biāo)比對(duì)器引入的不確定度

對(duì)頻標(biāo)比對(duì)器而言，主要是該儀器自身不穩(wěn)定引入的不確定度。由于該儀器分檔輸出，具體應(yīng)用時(shí)應(yīng)按實(shí)際情況分析。頻標(biāo)比對(duì)器各采樣時(shí)間的穩(wěn)定度見(jiàn)表1。

表1 頻標(biāo)比對(duì)器各采樣時(shí)間的穩(wěn)定度

[取樣時(shí)間（τ）＼10 ms＼0.1 s＼1 s＼10 s＼Y（τ）＼1×10-10＼1×10-11＼1×10-12＼2×10-13＼]

按最高檔采樣時(shí)間10 s分析：

[uB4=2×10-133=1.2×10-13]

（5）標(biāo)準(zhǔn)裝置測(cè)頻系統(tǒng)分辨力引入的不確定度

[uB5=1×10-133=5.8×10-14]

3.2 測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)裝置的重復(fù)性引入的不確定度

連續(xù)重復(fù)測(cè)量6組數(shù)據(jù)（見(jiàn)表2），計(jì)算出算術(shù)平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差及重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

[uA=sn（x）n=3.7×10-14]

表2 重復(fù)性測(cè)量數(shù)據(jù)

[＼[Ai]＼[A]＼[Ai-A]＼[Sn（x）]＼[A1]＼4.58×10-13＼3.72×10?13＼8.6×10-14＼9.1×10-14＼[A2]＼4.15×10-13＼4.3×10-14＼[A3]＼2.36×10-13＼-1.4×10-13＼[A4]＼3.54×10-13＼-1.8×10-14＼[A5]＼4.62×10-13＼9×10-14＼[A6]＼3.07×10-13＼-6.5×10-14＼]

3.3 銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度

由于以上各項(xiàng)[A]類評(píng)定和[B]類評(píng)定各不相關(guān)，因此整套標(biāo)準(zhǔn)的合成不確定度：

[uC=u2B1+u2B2+u2B3+u2B4+u2B5+u2A=1.2×10-11]

3.4 銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展不確定度

由銫原子的合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度可計(jì)算得出整套標(biāo)準(zhǔn)裝置的擴(kuò)展不確定度：

[U=kuC=2.4×10-11，k=2]

3.5 銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)性能的驗(yàn)證

采用校準(zhǔn)（檢定）法對(duì)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)不確定度進(jìn)行驗(yàn)證。即測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)給出的[y]值與上級(jí)計(jì)量技術(shù)機(jī)構(gòu)的校準(zhǔn)（檢定）結(jié)果[y0]值比較應(yīng)滿足：

[y-y0≤U]

FTS 4040A型銫頻標(biāo)的頻率準(zhǔn)確度值為2×10-12，中國(guó)航天科工集團(tuán)第二研究院二0三所出具檢定證書上的準(zhǔn)確度值為5×10-13。對(duì)以上數(shù)據(jù)按式[y-y0]進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果小于[U，]符合要求，銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置的不確定度得到驗(yàn)證。

4 結(jié) 語(yǔ)

銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)裝置的建立充分考慮了系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)，并對(duì)整套標(biāo)準(zhǔn)的不確定度評(píng)定做了詳細(xì)的介紹。標(biāo)準(zhǔn)建立以來(lái)，已完成了多套小型銣鐘和GPS校準(zhǔn)接收機(jī)的計(jì)量檢定工作，通過(guò)與多家計(jì)量機(jī)構(gòu)的技術(shù)能力比對(duì)，證明了該種建標(biāo)方案具有廣泛的應(yīng)用前景。

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