國產(chǎn)皮秒級多通道時間間隔測量儀在工程中的應(yīng)用

潘峰，張軍，霍海強，陳明，陳洪卿

（1.北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心，北京100094；2.北京一樸時頻科技有限公司，北京100086；3.中國電子科技集團公司第五十四研究所，石家莊050002）

0 引言

時間（time）的含義包括時刻和時間間隔（time interval，TI），用以表達事物出現(xiàn)的先后及其發(fā)展變化的快慢。它為事物的運動和時序過程的測量及研究提供了必不可少的參考坐標(biāo)。時間及其間隔（TI）測量技術(shù)在激光測距、衛(wèi)星導(dǎo)航定位、航空航天、天文觀測、遙測遙控、電信、電力、網(wǎng)絡(luò)安全等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣[l-3]?？萍己椭T多應(yīng)用發(fā)展又對TI的測量精度不斷提出新要求，從毫秒（ms）、微秒（μs）提高到納秒（ns）、皮秒（ps），甚至飛秒（fs）、阿秒（as）[4-6]。美國每年都有精密時間和時間間隔（PTTI）系統(tǒng)和應(yīng)用學(xué)術(shù)會議，研討精密時間和TI測量技術(shù)與應(yīng)用。美國國家科學(xué)院把它作為評估國家國防力量的重要標(biāo)志。我國在20世紀(jì)末部分單位也相繼開展了高精度TI測量技術(shù)和方法的探索研究[7-9]，但是當(dāng)時國內(nèi)TI測量精度好于1 ns的商用設(shè)備市場基本是國外幾家儀器商的天下。21世紀(jì)初，隨著電子科技、器件飛躍發(fā)展，在不斷跟蹤、努力探索的基礎(chǔ)上，我國開始了邁向國產(chǎn)商用設(shè)備TI測量精度好于1 ns的研發(fā)征程[l0-13]。

21世紀(jì)初，中國電信數(shù)字同步網(wǎng)技術(shù)支撐中心為保證數(shù)字同步網(wǎng)與國際、國內(nèi)電信網(wǎng)絡(luò)精確時間頻率同步，開展了精密時間、TI測量設(shè)備研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化之路。2004年在國防科工委重點預(yù)研項目《GNSS系統(tǒng)中相對論修正改進》中，為推進和驗證衛(wèi)星系統(tǒng)運行中的相對論效應(yīng)改正及其對衛(wèi)星原子鐘信號（向地面）傳輸、接收的影響[l3]，又承擔(dān)了精度優(yōu)于1 ns的高精度TI計數(shù)器研制。2006年5月，該項目通過國防科工委專家組驗收鑒定，評價為“達到國際先進水平”。該項目成果在2005年全國時間頻率學(xué)術(shù)年會論文“皮秒時間間隔測量方法綜述”中進行了全面介紹，并就計數(shù)器法、時間擴展法、時間-幅度轉(zhuǎn)換伴隨模擬-數(shù)字信號轉(zhuǎn)換法、游標(biāo)法、利用分支的延遲線轉(zhuǎn)換法、內(nèi)插值法等多種影響高精度TI精確測量的方法和技術(shù)作了詳細描述[7]。2007年國產(chǎn)皮秒級TI測量儀研制產(chǎn)品在北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心測試、試用，并不斷進行技術(shù)改進與工藝完善，被定型為國內(nèi)首款工程應(yīng)用的MDA712型皮秒級TIM（time interval meter）測量儀。

MDA712產(chǎn)品的原理如圖1所示。

圖1 MDA712原理框圖

產(chǎn)品中有兩類計數(shù)器：一個是32位循環(huán)計數(shù)器，形成一個計時分辨率為10 ns，周期為10 ns×232＝42.949 672 960 s的本地時標(biāo)；另一類計數(shù)器是閘門計數(shù)器，該計數(shù)器與1 k倍時間展寬器共同形成了一個對被測信號10 ns分辨率內(nèi)殘余脈寬進行10 ps分辨率測量。產(chǎn)品中1k倍時間展寬器采用3次10倍展寬完成，其特點如下：①采樣間隔大幅降低，最高采樣可達1 MHz采樣/s；②電容放電最長時間由10μs變成了100 ns，電容放電非線性度得到大幅提高。該方法申請了名為“一種多次同步模擬內(nèi)插的時間間隔測量方法和裝置”的發(fā)明專利（專利號：ZL 2010 1 0562836.2）。

1 國產(chǎn)皮秒TIM測量儀在北斗試驗系統(tǒng)中的應(yīng)用

北斗試驗系統(tǒng)地面控制中心時統(tǒng)分系統(tǒng)需要對多個原子鐘輸出信號做長期不間斷的、優(yōu)于0.1ns的測量不確定度TI測量。當(dāng)時該系統(tǒng)用的是美國Stanford公司SR620型TI測量儀。長期監(jiān)測發(fā)現(xiàn)各原子鐘之間的鐘差數(shù)據(jù)有明顯的周期性漂移起伏，影響系統(tǒng)總體測量誤差和系統(tǒng)的性能指標(biāo)。為此，研究分析鐘差數(shù)據(jù)異常起伏是來自原子鐘還是TI測量儀，成為必須解決的問題。2009年采用兩臺MDA712型國產(chǎn)皮秒級商用TIM測量儀與SR620測量儀同時對原子鐘信號進行了對比驗證測量，驗證測試連接框圖見圖2。

圖2 時間間隔長期對比測試的連接框圖

3臺設(shè)備同時測量相同的原子鐘信號10 d，獲得的TI測量曲線見圖3至圖5。3者都有約1 ns的長期慢變化。兩臺MDA712設(shè)備的測量結(jié)果，有約0.1 ns的不規(guī)則起伏，沒有周期性的漂移起伏。而SR620設(shè)備的TI測量曲線，在長期趨勢上與MDA712設(shè)備相似，但每隔約35 000 s就出現(xiàn)變化幅度約0.5 ns的周期性起伏。為避免線纜或其他原因誤判，3臺設(shè)備進行了測試端口互換測量，測量結(jié)果沒有隨著端口轉(zhuǎn)移而轉(zhuǎn)移。測量結(jié)果表明，原子鐘鐘差曲線存在0.5 ns的周期性變化，源自SR620測量儀。

圖3 MDA712-1 TIM測量儀測得的TI曲線

圖4 MDA712-2 TIM測量儀測得的TI曲線

圖5 SR620 TIM測量儀測得的TI曲線

上述測試結(jié)果及其后續(xù)研究工作，于2010年在《電子測量與儀器學(xué)報》發(fā)表“皮秒級時間間隔測量精度檢定方法的研究”文章[l2]，并于2016年申請了國家發(fā)明專利“受控頻偏時間間隔連續(xù)檢測方法”（專利號2016010021523.3）。在專利技術(shù)和工程應(yīng)用實際經(jīng)驗多年累積的基礎(chǔ)上，開拓創(chuàng)新，從4通道MDA712型TIM測量儀拓展為16通道同時精密測量，研制成商用皮秒級MTIM（multi-channel time interval meter）—多通道時間間隔測量儀。隨著不斷的技術(shù)改進與工藝完善，“國產(chǎn)商用皮秒級TIM測量儀”可靠性與穩(wěn)定性逐步提高，得到工程應(yīng)用認(rèn)可，并且作為《高精度多通道時間間隔測量儀的研制》項目的成果，獲得國家科技部授權(quán)、由中國衛(wèi)星導(dǎo)航定位協(xié)會頒發(fā)的“2012年衛(wèi)星導(dǎo)航定位科技進步一等獎”[l4]。

2 國產(chǎn)MTIM測量儀在北斗試驗驗證系統(tǒng)中的應(yīng)用

在北斗試驗驗證、地面控制、時間頻率系統(tǒng)中，采用德國TIMETECH公司高精度多通道MTIC測量儀，對多臺原子鐘輸出信號進行測量；同時用另一臺16通道國產(chǎn)皮秒級MTIM-712B測量儀與MTIC測量儀進行了比測，數(shù)據(jù)采集達6年多。2016年對MTIM-712B和MTIC測試儀測得的鐘差數(shù)據(jù)進行處理和比較時，發(fā)現(xiàn)兩臺設(shè)備的測量數(shù)據(jù)結(jié)果存在部分不一致性。為了搞清楚不一致的原因，從數(shù)據(jù)庫中選擇2016年4～6月的多組鐘差實測數(shù)據(jù)，進行統(tǒng)計分析，現(xiàn)選取其中能說明問題的一組TI測量數(shù)據(jù)曲線圖，如圖6所示。

圖6 MTIM-712B與MTIC的TI比對測量結(jié)果

圖6中，曲線（a）是MTIM-712B測量儀測得的一組鐘差，曲線（b）是MTIC測量儀測量同組原子鐘的鐘差曲線，曲線（c）則是兩者鐘差的差值曲線。從圖6中，不難看出曲線（c）有時出現(xiàn)的較大起伏，都與曲線（b）所出現(xiàn)的較大起伏一一對應(yīng)，而對應(yīng)時段的曲線（a）則相對平穩(wěn)，未有較大起伏。截取兩個月內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，獲得十多組鐘差曲線，都與圖6曲線大同小異。從鐘差數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析結(jié)果，可以分析被測原子鐘的性能，同時，通過比測的方式也可用于評估國產(chǎn)MTIM測量儀在工程應(yīng)用中的長期運行的穩(wěn)定性和可靠性。多年鐘差測量數(shù)據(jù)分析表明，MTIM-712B測量儀的性能略優(yōu)于TIMETECH測量儀[l5]，參見表1。

表1 兩種TI測量儀的長期測量誤差的匯總評估 ps

3 國產(chǎn)MTIM測量儀在國產(chǎn)銫鐘研發(fā)中的應(yīng)用

國產(chǎn)MTIM測量儀在國產(chǎn)商品小銫鐘的研發(fā)測試中，也發(fā)揮了重要的作用。2016年，在北京衛(wèi)星導(dǎo)航中心用2臺日穩(wěn)定度優(yōu)于6.5×10-15的氫鐘為參考源，采用國產(chǎn)MTIM-712測量儀和MFC-712多通道高精度頻標(biāo)比對儀各兩臺，同時對4臺國產(chǎn)商品小銫鐘A、B、C、D輸出的5 MHz/10 MHz信號和1 PPS信號進行比對測量，測試框圖見圖7所示。根據(jù)測量數(shù)據(jù)進行冪律譜分析，評估國產(chǎn)銫鐘的頻率穩(wěn)定度、準(zhǔn)確度和頻率漂移。測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果表明，國產(chǎn)銫鐘輸出1 PPS和頻率信號測量結(jié)果具備良好的一致性。銫鐘A的秒穩(wěn)為1.9×10-12，5 d的頻穩(wěn)為9.9×10-15，達到優(yōu)質(zhì)管5071A的指標(biāo)；銫鐘B的性能接近優(yōu)質(zhì)管5071A的指標(biāo)；銫鐘C、D的性能都與普通5071A的指標(biāo)相當(dāng)[l6]。目前，國產(chǎn)MTIM測量儀被北京大學(xué)等單位用于商品小銫鐘和芯片原子鐘的研制。

圖7 國產(chǎn)MTIM測量儀用于銫鐘比測連接框圖

4 國產(chǎn)MTIM測量儀用于北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)工程建設(shè)

北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)對所有測量設(shè)備在環(huán)境適應(yīng)性上提出了更高的要求，特別是對MTIM設(shè)備因溫度變化引起測量性能的變化非常關(guān)注。在系統(tǒng)中使用的MTIM設(shè)備，除了對其測量噪聲、測量不確定度、通道固定延遲不一致性提出高的要求外，還增加了對設(shè)備通道固定時延溫度系數(shù)＜1～2 ps/℃技術(shù)要求。為此，在前期技術(shù)與工程經(jīng)驗積累的基礎(chǔ)上，又進行了技術(shù)攻關(guān)和思維創(chuàng)新，將每路測試信號在輸入模擬部分和時間展寬電路模擬部分設(shè)計為成對的溫度系數(shù)負相關(guān)電路，使溫度變化對其時延影響能互相抵消，可達90%以上；并采用優(yōu)良的導(dǎo)熱性能材料進行一體化屏蔽盒設(shè)計，使整個測量板卡成為一個等溫體，板卡正常工作時，可將不同通道間的溫度差別減小到1℃以內(nèi)。此外還采取測溫、反饋算法補償通道固定時延，不斷迭代優(yōu)化，最終實現(xiàn)了設(shè)備通道的固定時延溫度系數(shù)＜1.0 ps/℃。2018年北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)的某發(fā)射天線機房采用了24塊7通道的MTIC測量板卡，要求測量噪聲＜20 ps（rms）、測量不確定度＜70 ps（max-100）、通道固定延遲不一致性＜50 ps、通道固定時延溫度系數(shù)＜2 ps/℃。某原子鐘組的時差測量采用了24塊7通道的MTIC測量板卡，要求測量噪聲＜15 ps（rms）、測量不確定度＜20 ps（max-100）、通道固定延遲不一致性＜30 ps、通道固定時延溫度系數(shù)＜1ps/℃。2018年底，進行近2個月的驗收測試，測試結(jié)果表明，國產(chǎn)皮秒級商用MTIC測量設(shè)備達到北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)工程化的性能要求。

5 國產(chǎn)MTIM測量儀與德國TDC-GP21芯片、SR620的比測

2018年某單位承擔(dān)北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)地面控制系統(tǒng)的時間統(tǒng)一分系統(tǒng)研制建設(shè)，期間采購了2臺國產(chǎn)MTIM測量儀，由8塊7通道皮秒級商用MTIC測量板卡嵌裝構(gòu)成。指標(biāo)要求MTIC的測量噪聲＜15 ps（rms）、測量不確定度＜30 ps（max 100）、通道固定延遲不一致性＜30 ps。2019年4月在該單位進行了現(xiàn)場驗收測量，測量結(jié)果表明，國產(chǎn)商用MTIC測量板卡及其測量儀整機達到合同規(guī)定的指標(biāo)要求。

為驗證國產(chǎn)測量儀的整機性能，驗收測試期間，將MTIM-712測量儀與1臺SR620測量儀以及1臺利用德國ACAM公司TDC-GP21芯片構(gòu)建的TI測量儀（本文稱為TDC-GP21測量儀）同時比測。TDC-GP21芯片采用延遲線技術(shù)，能實現(xiàn)2通道高精度TI測量，其測量分辨力為10 ps、測量噪聲為30 ps、測量不確定度為100 ps。比對測量場景見圖8所示，使用受控頻偏時間間隔連續(xù)檢測方法測量產(chǎn)品不確定性能，它們的相位曲線見圖9所示，測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果比較見表2所示。

圖8 3臺TI測量儀比對測量

圖9 受控頻偏（10-11）時間間隔連續(xù)檢測方法相位曲線

表2 3臺TI測量儀的測量結(jié)果比較

6 國產(chǎn)MTIM測量儀與進口同類產(chǎn)品手冊指標(biāo)比較

多年來工程應(yīng)用表明，國產(chǎn)商用皮秒級MTIM測量儀的產(chǎn)品質(zhì)量和服務(wù)品質(zhì)得到廣泛認(rèn)可，其性能與進口名牌同類產(chǎn)品相當(dāng)，參見表3，可以滿足國產(chǎn)化工程應(yīng)用要求，替代進口同類產(chǎn)品，為我國工程化核心設(shè)備實現(xiàn)全面自主可控打下了良好的基礎(chǔ)。

表3 皮秒級商用MTIM測量儀與進口同類產(chǎn)品比較【手冊指標(biāo)】

7 結(jié)語

目前，國內(nèi)部分廠家相繼開展了皮秒級TIM的技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)，但是能達到量產(chǎn)、作為工程化應(yīng)用、測量不確定度能優(yōu)于100 ps的TI測量儀仍為少見。伴隨我國北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)發(fā)展成長起來的國產(chǎn)商用皮秒級MTIM測量儀的技術(shù)和性能，經(jīng)不斷改進完善，已推向市場多年。據(jù)最近兩年統(tǒng)計，分別給部隊、學(xué)校、地方科研院所和重點時間頻率計量測試單位等提供了近12批次、整機26臺、多通道OEM的MTIC測量板卡123塊，共計1009個皮秒級TI測量通道。在多項工程應(yīng)用交貨驗收過程中，積累了在相同場合下與國外名牌廠商同檔次TI測量儀進行比對測量的大量數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)表明：國產(chǎn)商用MTIM測量儀不斷改善了可靠性和穩(wěn)定性、提升了性能，為我國衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等工程應(yīng)用提供了可靠的支撐。