銫原子頻率標準建標與不確定度評定

摘 要： 在測控、導航、雷達等領域，為保證時間和頻率的統(tǒng)一，需要對銣鐘及設備內部的高穩(wěn)晶振進行高精度頻率測量。闡述了建立銫原子頻率標準裝置的系統(tǒng)方案，并依據(jù)規(guī)程JJG180?2002《電子測量儀器內石英晶體振蕩器》及JJF1059?1999《測量不確定度評定與表示》，對建立的銫原子頻率標準裝置進行不確定度評定，確保了量值溯源的科學性、可靠性。

關鍵詞： 銫原子頻標； 高精度頻率測量； 高穩(wěn)晶振； 不確定度評定

中圖分類號： TN95?34；TP273+.5 文獻標識碼： A 文章編號： 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

時間頻率計量是計量測試領域非常重要的一個分支，尤其在測控、導航和雷達等領域發(fā)揮著至關重要的作用，時間頻率測量的重要性越來越得到各級計量檢定機構的重視，為實現(xiàn)量值溯源的準確、可靠，各級計量機構都在大力發(fā)展與之相適應的計量能力[1]。

隨著我軍裝備的發(fā)展，裝備的測試精度不斷得到提高，新建立的各種測控設備如時統(tǒng)設備、GPS校準接收機和小型化銣鐘與時間頻率指標密切相關，現(xiàn)有的銣原子頻率標準裝置在準確度、穩(wěn)定度等指標上與這些新型電子測量設備相近，已無法滿足這些設備的計量檢定工作。

為提高計量/校準實驗室時間頻率的計量檢定能力，建立準確度和穩(wěn)定度更高的銫原子頻率標準，對完成高指標的高穩(wěn)晶振、GPS接收機以及小型化銣鐘的計量檢定具有重要的意義。

1 系統(tǒng)硬件組成

計量系統(tǒng)由Datum 4040A型銫原子頻率標準、P07C型頻標比對器、SSl991型納秒通用計數(shù)器、SS2901A型程控射頻開關和主控計算機等組成，系統(tǒng)組成如圖1所示。

頻差倍增法是時間頻率計量中最常用也最有效的方法[2]，時間頻率的計量是非常精細的數(shù)值比對，采用頻標比對器將標準頻標和被測頻率差值進行倍增放大，可大幅度提高測量的精度和分辨力[3]。

圖1 系統(tǒng)硬件組成

頻標倍增法所測量的是標準頻標與被測頻率倍增后的差值，所測得的誤差是經(jīng)過每一級倍增后的誤差[Δf，]頻標倍增法包含了多級的倍頻、混頻。系數(shù)[m]選擇10時，最后得到[f0+mnΔf=f0+10nΔf，]同時選用低噪聲的元器件設計相應的濾波電路來消除倍增過程中產(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，在頻差倍增檢測過程中，采用二次放大整形可以最大限度地減小觸發(fā)誤差對測試結果造成的影響，從而確保檢測結果的準確、可靠。

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

2 系統(tǒng)軟件設計

2.1 主程序

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

2.2 測試模塊

測試模塊是直接完成檢測項目的部件，它可以根據(jù)被測儀器的檢測項目，進行檢測初始化以及完成其他各項目的檢測，將采集到的數(shù)據(jù)存儲于各個測試項目的數(shù)組變量中，并與被測儀器說明書提供的儀器指標進行比較，判斷該臺被測儀器是否合格。

2.3 輸出模塊

輸出模塊式是實現(xiàn)數(shù)據(jù)轉移的模塊，它通過主程序從測試模塊接收數(shù)據(jù)，并將接收的數(shù)據(jù)轉換成證書、報告等模式。輸出結果的內容包括：原始數(shù)據(jù)、測量結果和檢定/測試證書。

2.4 故障診斷及系統(tǒng)維護模塊

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，分別設計了容錯程序和故障診斷程序，通過冗余的手段來實現(xiàn)容錯設計，通過信息冗余、時間冗余等方式不僅能夠做到錯誤診斷，同時還能提示出錯的原因。

3 系統(tǒng)不確定度評定

不確定度評定是銫原子頻率標準建立的重要環(huán)節(jié)，各標準試驗室由于采用的銫原子標準型號不同，對不確定的評定理解也不相同[7]。考慮到Datum 4040A型銫原子頻率標準的實際情況，主要通過以下幾個分量來完成該套標準的不確定度評定。

3.1 標準及配套儀器的不確定度分析

（1） 上級測量標準測量不確定度影響引入的不確定度

[uB1=5×10-133=2.9×10-13]

（2） 銫原子頻率標準輸出頻率的不準引入的不確定度

[uB2=（2×10-12）3=1.2×10-12]

（3） 銫原子頻率標準輸出頻率不穩(wěn)引入的不確定度

[uB3=（2.1×10-11）3=1.2×10-11]

（4） 頻標比對器引入的不確定度

對頻標比對器而言，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，具體應用時應按實際情況分析。頻標比對器各采樣時間的穩(wěn)定度見表1。

表1 頻標比對器各采樣時間的穩(wěn)定度

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

按最高檔采樣時間10 s分析：

[uB4=2×10-133=1.2×10-13]

（5）標準裝置測頻系統(tǒng)分辨力引入的不確定度

[uB5=1×10-133=5.8×10-14]

3.2 測量標準裝置的重復性引入的不確定度

連續(xù)重復測量6組數(shù)據(jù)（見表2），計算出算術平均值的實驗標準偏差及重復性引入的標準不確定度：

[uA=sn（x）n=3.7×10-14]

表2 重復性測量數(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 銫原子頻率標準的合成標準不確定度

由于以上各項[A]類評定和[B]類評定各不相關，因此整套標準的合成不確定度：

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

3.4 銫原子頻率標準擴展不確定度

由銫原子的合成標準不確定度可計算得出整套標準裝置的擴展不確定度：

[U=kuC=2.4×10-11，k=2]

3.5 銫原子頻率標準性能的驗證

采用校準（檢定）法對測量標準不確定度進行驗證。即測量標準給出的[y]值與上級計量技術機構的校準（檢定）結果[y0]值比較應滿足：

[y-y0≤U]

FTS 4040A型銫頻標的頻率準確度值為2×10-12，中國航天科工集團第二研究院二0三所出具檢定證書上的準確度值為5×10-13。對以上數(shù)據(jù)按式[y-y0]進行計算，計算結果小于[U，]符合要求，銫原子頻率標準裝置的不確定度得到驗證。

4 結 語

銫原子頻率標準裝置的建立充分考慮了系統(tǒng)硬件和軟件的設計，并對整套標準的不確定度評定做了詳細的介紹。標準建立以來，已完成了多套小型銣鐘和GPS校準接收機的計量檢定工作，通過與多家計量機構的技術能力比對，證明了該種建標方案具有廣泛的應用前景。

參考文獻

[1] 李宗陽.時間頻率計量[M].北京：中國原子能出版社，2002.

[2] 陽麗.采用頻差倍增法的高精度時域頻率穩(wěn)定度測量儀的研制[D].武漢：武漢理工大學，2012.

[3] 王玉珍，才瀅，付永杰.高精度無間隙時頻測量技術的研究[J].電子測量與儀器學報，2009，23（1）：70?74.

[4] 付永杰，王玉珍.高精度頻標比對及分析系統(tǒng)設計[J].電子測量技術，2009，32（1）：67?69.

[5] 左建生，董蓮，陸福敏.時間頻率遠程校準系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子測量技術，2010，33（4）：67?69.

[6] 杜福鵬，阮濱.外場環(huán)境下頻率測量系統(tǒng)的設計[J].電子測量技術，2012，35（2）：89?91.

[7] 祖先鋒.軍用自動測試系統(tǒng)及其不確定度評定關鍵技術研究[D].長沙：國防科學技術大學，2007.