銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)頻率穩(wěn)定度測量方法及不確定度評定

浙江省計量科學(xué)研究院 韓海林 孫 杰

引言

銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于無線電導(dǎo)航與定位、數(shù)字通信和時間頻率測量等領(lǐng)域，它在時間頻率量傳體系中起著重要作用。頻率穩(wěn)定度是頻標(biāo)計量特性中最重要的一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，使用頻標(biāo)的最終目的是要獲得準(zhǔn)確的頻率值，而頻率的穩(wěn)定度影響了頻率的準(zhǔn)確度。目前國家檢定規(guī)程JG292-2009《銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定了頻率穩(wěn)定度頻標(biāo)比對器測量法、頻差倍增器測量法、時差法、比相法等四種檢定項(xiàng)目。本文主要介紹利用時差法測量銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率穩(wěn)定度，并對測量結(jié)果進(jìn)行不確定度評定。

1 時差法原理及測量方法

頻率穩(wěn)定度時差法測量原理如圖1所示。

圖1 時差法測量原理圖

將被檢的銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)10MHz輸出端口和參考頻標(biāo)10MHz輸出端口分別接入兩個分頻器，分頻器的1PPS信號分別接入到通用計數(shù)器的A輸入口和B輸入口。其中由A路輸入的被檢銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)信號通過分頻器產(chǎn)生的1PPS上升沿作為啟動信號，由B路輸入的參考頻標(biāo)信號通過分頻器產(chǎn)生的1PPS上升沿作為停止信號，取樣時間為分別為10000s和86400s，連續(xù)測量15組時差值。若被檢銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)說明書給出的穩(wěn)定度按哈德瑪方差進(jìn)行評定則按公式（1）計算頻率穩(wěn)定度，否則按公式（2）計算頻率穩(wěn)定度。

2 測量不確定度評定

2.1 建立數(shù)學(xué)模型

2.2 頻率穩(wěn)定度的測量不確定度評定

(1)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)輸出秒脈沖的不準(zhǔn)確引入的不確定度分量。

根據(jù)上一級計量檢定機(jī)構(gòu)給出的檢定結(jié)果，銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的頻率準(zhǔn)確度為5×10-13，則半?yún)^(qū)間寬度a=5×10-13，在區(qū)間內(nèi)均勻分布,包含因子k=，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

(2)銫原子頻率標(biāo)準(zhǔn)輸出秒脈沖的不穩(wěn)定引入的不確定度分量。

根據(jù)上一級計量檢定機(jī)構(gòu)給出的檢定結(jié)果，以取樣時間為10000s為例，其頻率穩(wěn)定度為1.8×10-13，則半?yún)^(qū)間寬度a=1.8×10-13，在區(qū)間內(nèi)均勻分布，包含因子包含因子k=，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度：u2=1.6×10-12/=1.0×10-13。

2.2.2 輸入量 引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量

(1)通用計數(shù)器分辨力引入的不確定度分量。

SR620型通用計數(shù)器測量時間間隔的分辨力為1×10-13，測的時差值經(jīng)上文頻率穩(wěn)定度計算公式計算后可忽略不計。

(2)供電電源不穩(wěn)與磁場變化引入的不確定度分量可以忽略不計。

(3)測量標(biāo)準(zhǔn)重復(fù)性引入的不確定度分量。

選用性能穩(wěn)定的MRT-H-101型銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)作為被測對象，連續(xù)測量10次，計算算術(shù)平均值的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.3×10-13，因此標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u4=1.3×10-13。

表1 頻率穩(wěn)定度測量結(jié)果

2.2.3 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評定

T0與彼此獨(dú)立互不相關(guān)，因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：

2.3 擴(kuò)展不確定度評定

k取2，則擴(kuò)展不確定度如下：

因此銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)在取樣時間為10000s時頻率穩(wěn)定度測量的擴(kuò)展不確定度為6.0×10-11，取樣時間為86400s亦可參考評定。

3 結(jié)束語

本文利用時差法對銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)頻率穩(wěn)定度測量的工作原理進(jìn)行了介紹，并對測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行了評定,實(shí)現(xiàn)了利用計算機(jī)自動測量系統(tǒng)對取樣時間為10000s、86400s銣原子頻率標(biāo)準(zhǔn)頻率穩(wěn)定度的測量。

[1]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJg292-2009.杭州:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2009.

[2]國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF1059.1-2012.杭州:國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局,2012.