铯原子频率标准建标与不确定度评定

摘 要： 在测控、导航、雷达等领域，为保证时间和频率的统一，需要对铷钟及设备内部的高稳晶振进行高精度频率测量。阐述了建立铯原子频率标准装置的系统方案，并依据规程JJG180⁃2002《电子测量仪器内石英晶体振荡器》及JJF1059⁃1999《测量不确定度评定与表示》，对建立的铯原子频率标准装置进行不确定度评定，确保了量值溯源的科学性、可靠性。

关键词： 铯原子频标； 高精度频率测量； 高稳晶振； 不确定度评定

中图分类号： TN95⁃34；TP273+.5 文献标识码： A 文章编号： 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

时间频率计量是计量测试领域非常重要的一个分支，尤其在测控、导航和雷达等领域发挥着至关重要的作用，时间频率测量的重要性越来越得到各级计量检定机构的重视，为实现量值溯源的准确、可靠，各级计量机构都在大力发展与之相适应的计量能力[1]。

随着我军装备的发展，装备的测试精度不断得到提高，新建立的各种测控设备如时统设备、GPS校准接收机和小型化铷钟与时间频率指标密切相关，现有的铷原子频率标准装置在准确度、稳定度等指标上与这些新型电子测量设备相近，已无法满足这些设备的计量检定工作。

为提高计量/校准实验室时间频率的计量检定能力，建立准确度和稳定度更高的铯原子频率标准，对完成高指标的高稳晶振、GPS接收机以及小型化铷钟的计量检定具有重要的意义。

1 系统硬件组成

计量系统由Datum 4040A型铯原子频率标准、P07C型频标比对器、SSl991型纳秒通用计数器、SS2901A型程控射频开关和主控计算机等组成，系统组成如图1所示。

频差倍增法是时间频率计量中最常用也最有效的方法[2]，时间频率的计量是非常精细的数值比对，采用频标比对器将标准频标和被测频率差值进行倍增放大，可大幅度提高测量的精度和分辨力[3]。

图1 系统硬件组成

频标倍增法所测量的是标准频标与被测频率倍增后的差值，所测得的误差是经过每一级倍增后的误差[Δf，]频标倍增法包含了多级的倍频、混频。系数[m]选择10时，最后得到[f0+mnΔf=f0+10nΔf，]同时选用低噪声的元器件设计相应的滤波电路来消除倍增过程中产生的频率分量等杂波，二次放大整形法是非常有效的滤波办法，在频差倍增检测过程中，采用二次放大整形可以最大限度地减小触发误差对测试结果造成的影响，从而确保检测结果的准确、可靠。

频差倍增法的倍频、混频是多次的叠加，实现了对频率偏差多级放大的测量，与单次多倍的方法相比较，其测量精度得到了极大的保证[4⁃6]。

2 系统软件设计

2.1 主程序

主程序的编写主要是使用Microsoft Visual Basic 6.0完成的，在整个程序中，主程序起到的是数据中转作用，通过它可以将各项测试参数定位到各自的测试模块中去，而不会产生数据干扰。

2.2 测试模块

测试模块是直接完成检测项目的部件，它可以根据被测仪器的检测项目，进行检测初始化以及完成其他各项目的检测，将采集到的数据存储于各个测试项目的数组变量中，并与被测仪器说明书提供的仪器指标进行比较，判断该台被测仪器是否合格。

2.3 输出模块

输出模块式是实现数据转移的模块，它通过主程序从测试模块接收数据，并将接收的数据转换成证书、报告等模式。输出结果的内容包括：原始数据、测量结果和检定/测试证书。

2.4 故障诊断及系统维护模块

一款可靠的软件必须要具有良好的稳定性和可靠性，为提高软件的性能，分别设计了容错程序和故障诊断程序，通过冗余的手段来实现容错设计，通过信息冗余、时间冗余等方式不仅能够做到错误诊断，同时还能提示出错的原因。

3 系统不确定度评定

不确定度评定是铯原子频率标准建立的重要环节，各标准试验室由于采用的铯原子标准型号不同，对不确定的评定理解也不相同[7]。考虑到Datum 4040A型铯原子频率标准的实际情况，主要通过以下几个分量来完成该套标准的不确定度评定。

3.1 标准及配套仪器的不确定度分析

（1） 上级测量标准测量不确定度影响引入的不确定度

[uB1=5×10-133=2.9×10-13]

（2） 铯原子频率标准输出频率的不准引入的不确定度

[uB2=（2×10-12）3=1.2×10-12]

（3） 铯原子频率标准输出频率不稳引入的不确定度

[uB3=（2.1×10-11）3=1.2×10-11]

（4） 频标比对器引入的不确定度

对频标比对器而言，主要是该仪器自身不稳定引入的不确定度。由于该仪器分档输出，具体应用时应按实际情况分析。频标比对器各采样时间的稳定度见表1。

表1 频标比对器各采样时间的稳定度

[取样时间（τ）＼10 ms＼0.1 s＼1 s＼10 s＼Y（τ）＼1×10-10＼1×10-11＼1×10-12＼2×10-13＼]

按最高档采样时间10 s分析：

[uB4=2×10-133=1.2×10-13]

（5）标准装置测频系统分辨力引入的不确定度

[uB5=1×10-133=5.8×10-14]

3.2 测量标准装置的重复性引入的不确定度

连续重复测量6组数据（见表2），计算出算术平均值的实验标准偏差及重复性引入的标准不确定度：

[uA=sn（x）n=3.7×10-14]

表2 重复性测量数据

[＼[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 铯原子频率标准的合成标准不确定度

由于以上各项[A]类评定和[B]类评定各不相关，因此整套标准的合成不确定度：

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

3.4 铯原子频率标准扩展不确定度

由铯原子的合成标准不确定度可计算得出整套标准装置的扩展不确定度：

[U=kuC=2.4×10-11，k=2]

3.5 铯原子频率标准性能的验证

采用校准（检定）法对测量标准不确定度进行验证。即测量标准给出的[y]值与上级计量技术机构的校准（检定）结果[y0]值比较应满足：

[y-y0≤U]

FTS 4040A型铯频标的频率准确度值为2×10-12，中国航天科工集团第二研究院二0三所出具检定证书上的准确度值为5×10-13。对以上数据按式[y-y0]进行计算，计算结果小于[U，]符合要求，铯原子频率标准装置的不确定度得到验证。

4 结 语

铯原子频率标准装置的建立充分考虑了系统硬件和软件的设计，并对整套标准的不确定度评定做了详细的介绍。标准建立以来，已完成了多套小型铷钟和GPS校准接收机的计量检定工作，通过与多家计量机构的技术能力比对，证明了该种建标方案具有广泛的应用前景。

参考文献

[1] 李宗阳.时间频率计量[M].北京：中国原子能出版社，2002.

[2] 阳丽.采用频差倍增法的高精度时域频率稳定度测量仪的研制[D].武汉：武汉理工大学，2012.

[3] 王玉珍，才滢，付永杰.高精度无间隙时频测量技术的研究[J].电子测量与仪器学报，2009，23（1）：70⁃74.

[4] 付永杰，王玉珍.高精度频标比对及分析系统设计[J].电子测量技术，2009，32（1）：67⁃69.

[5] 左建生，董莲，陆福敏.时间频率远程校准系统的设计与实现[J].电子测量技术，2010，33（4）：67⁃69.

[6] 杜福鹏，阮滨.外场环境下频率测量系统的设计[J].电子测量技术，2012，35（2）：89⁃91.

[7] 祖先锋.军用自动测试系统及其不确定度评定关键技术研究[D].长沙：国防科学技术大学，2007.