计量方法与误差理论CH3-1-时间频率计量

第三章各种物理量的测试计量第1节时间频率计量测试第2节电磁学计量测试第3节电子计量测试第4节温度计量测试第5节光学计量测试第6节其他计量测试（几何、力学、声学、电离辐射、物质的量）第1节时间频率计量测试1.基本概念时间、时间间隔、时刻、时标、频标时间：基本的物理量，单位秒（两层含义：时间间隔、时刻）。在单位时间间隔内重复、循环的次数为频率时间间隔：连续流逝的时间中两个瞬时之间的间隔，其中任何一点的瞬时称为时刻。时标：能给各个事件赋予时刻的时间参考标尺的简称。频标：频率的参考标尺，频率标准时间频率计量测试2.时标世界时（UT,UniversalTime）:以地球自转为基础的时间计量系统。以地球自转周期(1天)确定的时间，即1/(24×60×60)=1/86400为1秒。其误差约为10－7量级。参考点：平太阳时(meansolartime)：由于地球自转周期存在不均匀性，以假想的平太阳作为基本参考点。零类世界时（UT0）：以平太阳的子夜0时为参考。第一类世界时（UT1）：对地球自转的极移效应（自转轴微小位移）作修正得到。第二类世界时（UT2）：对地球自转的季节性变化（影响自转速率）作修正得到。准确度为3×10－8以本初子午线的平子夜起算的平太阳时，又称格林威治平时或格林威治时间。时间频率计量测试历书时（ET,ephemeristime）:以地球公转为基础的时间计量系统。公转周期（1年）的31556925.9747分之一为1秒。参考点为1900年1月1日0时（国际天文学会定义）。准确度达1×10－9。于1960年第11届国际计量大会接受为“秒”的标准。原子时（atomictime），以物质的原子内部发射的电磁振荡频率为基准的时间计量系统，一种均匀的时间计量系统。原子时的初始历元规定为1958年1月1日世界时0时，秒长定义为铯-133原子基态的两个超精细能级间在零磁场下跃迁辐射9192631770周所持续的时间。原子时的秒长规定为国际单位制的时间单位，作为三大物理量的基本单位之一。由于世界时存在不均匀性和历书时的测定精度低，1967年起，原子时已取代历书时作为基本时间计量系统。协调世界时（coordinateduniversaltime，UTC）:又称世界统一时间，世界标准时间。以国际制秒(SI)为基准，用正负闰秒的方法保持与世界时相差在一秒以内的一种时间。协调世界时是以原子时秒长为基础，在时刻上尽量接近于世界时的一种时间计量系统。位于巴黎的国际地球自转事务中央局负责决定何时加入闰秒。一般会在每年的6月30日、12月31日的最后一秒进行调整。应用：网络时间协议时间频率计量测试原子频率标准基本原理——量子理论：原子和分子只能处于一定的能级，其能量不能连续变化，当它们由一个能级向另一个能级跃迁时，就会以电磁波形式辐射或吸收能量，其频率严格决定于二能级间的能量差。hEf/（h=6.6252×10-27为普朗克常数）时间频率计量测试3.时间频率标准可从时间标准导出的频率标准。包括精密钟、音叉、高稳定石英晶体振荡器和各种原子频率标准（时间和频率共用一个基准）石英晶体振荡器(1)铯原子频标国际规定的复现秒定义的标准装置。大铯钟和小铯钟。准确度10-14,长期稳定度10-14时间频率计量测试(2)气泡型铷原子频标•造价低、体积小，使用最多的原子频标•准确度10-11（不适合作一级标准）•稳定度10-11-10-12•缺点：频移，必须用铯标准定标(3)氢原子频标•主动型氢激射器，从氢原子中选出高能级的原子送入谐振腔，原子从高能级向低能级跃迁，辐射出频率准确的电磁波。•长/短期稳定性好10-14—10-15•准确度10-12•缺点：结构庞大复杂，价格昂贵时间频率计量测试4.频率稳定度◆频率准确度频率源输出的实际频率值fx对其标称值f0的相对频率偏差。即：00,xfffff◆频率稳定度频率准确度只能表示当前测量（取样时间）的准确度，它是时间t的函数。频率准确度随时间的变化即为频率稳定度。它表征频率源维持其工作于恒定频率上的能力。长期、短期稳定度：长期——年、月、日；短期——秒级。时间频率计量测试1）长期频率稳定度的表征长期稳定度是指石英谐振器老化而引起的振荡频率在其平均值上的缓慢变化，即频率的老化漂移。-日老化率对石英振荡器，通常用一天内的频率平均漂移作为长期稳定度的表征，叫做“日老化率”。（如时间轴的时间取为一天）日老化率的测量：每天的“日老化率”会有所变化，实际中连续测一周或一个月。设每天测一个数据，共测n天，得f1,f2,…,fi,…fn,利用最小二乘法拟合得到老化曲线:则其斜率(估计值)相对f0比值即为日老化率。ft0Kf121()()ˆ()niiiniifftttt最小二乘法：时间频率计量测试–日波动定义晶体振荡器除老化漂移外，一天内还将产生频率的随机起伏。日波动综合表征了老化漂移和随机起伏。日波动是指频率源在24小时内最大相对频率变化。日波动的测量：根据检定规程，测量日波动时可每隔1小时测量一个数据(每次测量的取样时间T=10s),连续测24小时，共得25个数据，取出fmax和fmin，用下式计算。maxmin0ffSf时间频率计量测试2）短期频率稳定度的表征：时域定义：在时域内用相对频率起伏来表征频率的不稳定性；对瞬时频率f(t)作有限次（n次）测量，得到f1、f2、…、fn，用贝塞尔公式计算其估计值：频域定义：在频域内用相位噪声来表征频率的不稳定度fi’和fi为相邻（无间隙）两次测量值，并将其作为一组，共进行m组测量得到2m个数据。描述了相邻两次频率值的起伏变化2210011niifnffffn210'12miiiafffm短稳的测量方法:差频倍增法（1）时间间隔的计量两个信号分别控制闸门开启和关闭5.时间频率的计量时间频率计量测试利用时间间隔的测量，可以测量两个同频率的信号之间的相位差。时间频率计量测试时间频率计量测试直接计量法测频规定的闸门时间内，对被计量信号进行计数（2）频率值的计量放大整形主闸门计数显示控制电路时基分频系统恒温晶振A输入标频晶体振荡器所产生的稳定的频率信号分频产生准确的时基信号（如秒信号），并用它控制一个闸门。被测信号经过该闸门后，由计数器计数。当时基信号为1s时，所计数的结果就严格等于被测信号的频率值。量化误差及精度（10-7～10-10）时间频率计量测试放大整形主闸门计数显示控制电路时基分频系统恒温晶振A输入差频周期法测频将被计量信号与标准频率信号混频，取出差拍信号，然后用测周法测出差拍信号的频率时间频率计量测试原理：当两个频率值相近的频标信号混频后再测量其差拍周期值时，对差拍周期的测量精度反映到对被测信号的测量精度时提高了一个倍增因子。该因子就等于被测信号频率与差拍信号频率的比值，常常可以把测量精度或分辨率提高数万到上百万倍。频差倍增法测频将差拍信号周期扩大，再进行测量以提高精度时间频率计量测试若被测频率fx=1.0001MHz，标准频率信号f0=1MHz，闸门时间1秒，欲把±1误差产生的测频误差减少到10-9，问倍增器的倍增系数mn应取值多大？时间频率的计量相位重合法测频——相检宽带测频法最大公因子频率：对任意两个频率信号f1和f2，当f1=A*f0，f2=B*f0时（A、B为互素正整数），f0就是f1和f2之间的最大公因子频率fmaxc。最小公倍数周期Tminc:在一个Tminc内，两信号间的相位差状态都有一些值，它们分别等于信号间的相对初始相位差加0,,2,…TT21maxfffTc时间频率的计量相位比较法测频线性比相法FIG5-2-2频标比对鉴相器输出的电压或电流信号与两个信号的相位差成正比变化内两信号的累计相位差为取样时间TTff时间频率的计量时差法与双混频器时差法将频率信号转化为时间信号，送到时间间隔计数器计量时差。双混频器时差法引入中介源，P116FIG5-7-1通过双重混频，信号间的时差被倍增了0f被测频率fx双平衡混频器移相器公共振荡器双平衡混频器参考频率f0低通滤波器放大器时间间隔计数器低通滤波器放大器6.时间频率量值的传递直接检定搬运钟比对利用电磁波信号接收比对（1）利用电视信号（2）利用卫星GPS全球定位系统俄全球卫星导航系统（格罗纳斯）欧洲“伽利略”卫星导航北斗导航系统时间频率的计量搬运钟比对利用汽车、飞机或轮船等交通工具将由频率标准、数字钟、直流电源或电源变换器等组成的便携钟由时间参考点搬至需时间同步或比对的地点测试,然后再返回时间参考点。方法：在一个参考点把钟同步好,搬运到需要同步和测试的地方,用时间间隔计数器在各测试点进行测试比对,返回参考点后再和参考钟比对,在闭合时间内可测得搬运期间累积的钟误差。时间频率的计量利用电磁波信号接收比对发播方式分类–高频：2.5MHz,5MHz,10MHz,15MHz,20MHz等短波台–低频：100kHz数量级的罗兰-C导航台–甚低频：10-20kHz等Ω导航台–甚高频：电视和卫星通信（30MHz到300MHz）发播方式特点–高频发播：波长短穿透力强，靠高层的电离层反射，电离层不稳定–甚低频发播：波长长穿透力差，低层电离层反射，比高层电离层稳定，存在日落日出效应。–低频发播：地波传播的相位稳定度高，发送和接收设备昂贵。发播延时d=S/V天波V传播速度等于光速C，地波需要作修正时间频率的计量——利用电视信号甚高频频段，波长短穿透力强，不受电离层反射而直线传播，传播延迟仅决定于发射和接收之间的直线距离。电视信号覆盖范围小，通过中继线路，延迟修正无源事后同步：选定某一电视同步脉冲作公共参考信号，分别计量出各个钟与参考信号的时差，事后交换数据，得到各钟之间的关系。有源实时同步：将时间编码和标准频率信号插入电视广播的场回扫逆程中的某一行内，随电视节目一起播出。用户使用解码器实时得到准确的时刻信息，使用锁相振荡器得到标准频率。利用彩色电视校准频率P159FIG8-1-23量值传递与检定测试——利用卫星的接收比对具有电视方法的全部优点，克服了覆盖面积小的缺点。•无源法：转发单向：地面A点-卫星-地面B点，卫星运动引起的传播延时变化难以确定，不准确双向：A-卫星-B，B-卫星-A，同时转发和接收。通过交换数据计量出传播延时，但仍需修正•有源法：卫星上放置高准确度的铷钟或铯钟全球卫星定位系统：美GPS、俄GLONASS、北斗。GPS简介GPS由24颗卫星组成星座，分布在距地球2万Km的6个轨道平面上，任何地方任何时候都可以看到4-11颗卫星。卫星发射信号有2个频率：L1=1575.24MHz，L2=1227.6MHz2种调制码：P码—精密定位服务码（美军，加密）C/A码—标准定位码（开放）•GPS定位原理：测距设卫星j于tsj发播导航信号，经距离时延后，用户接收机在时刻tr接收到该信号，则卫星j至用户的距离为：222)()()()(ZZYYXXttcjjjsjrj如果卫星与用户接收机的时钟严格同步，并且卫星的位置、发射导航信号的时刻确定，则通过同时接收3颗GPS星的发播信号，求解出用户接收机的坐标位置。GPS简介要求用户接收机装备精确的原子钟并与卫星钟同步不现实设卫星j发播信号时的GPS时间tsj，而卫星的钟面时为tsj’；用户接收信号时的GPS时间tr，而接收机的钟面时为tr’。则测定到的距离为：jrsjrsjrjtctcttcttc)()''('“伪距”：不是卫星到用户的真实距离，包含了时钟差的距离。GPS伪距测量导航定位的基本方程：jrjjjjtctcZZYYXX222)()()('•4个待定参数，在观测4颗GPS卫星的情况下，不需要用户配备高精度的原子钟，也不需要与卫星钟同步，即可实现定位以及用户钟相对GPS时间的精确钟差。