計(jì)量量子化變革對我國工業(yè)計(jì)量的影響

梁志國，李新良，王宇，李維

（航空工業(yè)北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所計(jì)量與校準(zhǔn)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100095）

1 計(jì)量單位制變革帶來的變化及工作

2019年5月20日，伴隨著第26屆國際計(jì)量大會通過的國際單位制重新定義的決議正式生效，全世界范圍內(nèi)的計(jì)量單位制發(fā)生了根本性的變革，導(dǎo)致計(jì)量行業(yè)出現(xiàn)以下變化：

1）表述物理世界的7個(gè)基本量單位：長度單位米（m）、質(zhì)量單位千克（kg）、時(shí)間單位秒（s）、熱力學(xué)溫度單位開爾文（K）、電流單位安培（A）、發(fā)光強(qiáng)度單位坎德拉（cd）、物質(zhì)的量單位摩爾（mol），除了發(fā)光強(qiáng)度單位外，全部使用了量子化效應(yīng)和基本物理常數(shù)進(jìn)行定義［1-2］，完全不依賴于某一具體的實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)。這標(biāo)志著，人類測量活動必須采用實(shí)物基準(zhǔn)的歷史行將終結(jié)，量子技術(shù)在計(jì)量中具有不可替代的作用，以量子基準(zhǔn)為核心的量子計(jì)量時(shí)代已經(jīng)開啟。

由此導(dǎo)致基本量的復(fù)現(xiàn)以及向基本量溯源的手段、方法、原理等，均可能不再唯一［3-4］。從主導(dǎo)思想上，量值溯源主要是溯源到復(fù)現(xiàn)基本量及導(dǎo)出量的穩(wěn)定可靠的物理現(xiàn)象的某種特征上，而非某一實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)上，該特質(zhì)將對現(xiàn)有的量值傳遞與溯源體制造成重大沖擊。

時(shí)間頻率量值的權(quán)重更加提升，不僅僅因?yàn)闀r(shí)間頻率比其它基本量的準(zhǔn)確度高幾個(gè)數(shù)量級，是目前人們可以獲得的準(zhǔn)確度最高的基本量［5-6］，更因?yàn)榭梢杂蓵r(shí)間頻率量結(jié)合基本物理常數(shù)導(dǎo)出一些其它基本量。在未來，基本量的數(shù)目和重要性仍然有可能發(fā)生變化，一些可以溯源到時(shí)間頻率量或者可以由時(shí)間頻率量導(dǎo)出的基本量將可能被撤銷［3-4］。

另外，由于目前時(shí)間頻率量是唯一可以無實(shí)物傳遞實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程量值傳遞和溯源的基本量［7］，對于可以溯源到時(shí)間頻率量上的其它物理量值的計(jì)量校準(zhǔn)，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。隨著計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)小型化、芯片化、便攜化技術(shù)的成熟，取消時(shí)間頻率量值以外的其它物理量值的實(shí)物傳遞，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程計(jì)量校準(zhǔn)的目標(biāo)已為期不遠(yuǎn)。

一旦實(shí)現(xiàn)物理量值的遠(yuǎn)程無實(shí)物傳遞和溯源，即可以實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與計(jì)量技術(shù)的融合，并以此為契機(jī)，可望形成全球一體化的計(jì)量校準(zhǔn)模式。屆時(shí)，人們將有可能在地球內(nèi)外的任何一處，實(shí)現(xiàn)對地球內(nèi)外的另外任意一處物理量值的實(shí)時(shí)計(jì)量校準(zhǔn)，這樣的技術(shù)前景，對于地球內(nèi)外的任何設(shè)備、量值的計(jì)量校準(zhǔn)，將能做到從容自如和隨心所欲，計(jì)量技術(shù)接近成熟和完美。

2）自身具有復(fù)現(xiàn)基本量功能的儀器設(shè)備與系統(tǒng)，將可能不再需要外部計(jì)量校準(zhǔn)或溯源，僅需要進(jìn)行自身內(nèi)部完備的溯源與校準(zhǔn)。即它們溯源的終極標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)定準(zhǔn)則，可能是符合量子化定義的具體量值，而非傳統(tǒng)的國家標(biāo)準(zhǔn)或國際標(biāo)準(zhǔn)。相應(yīng)的計(jì)量法規(guī)，可能需要針對這種情況進(jìn)行調(diào)整與補(bǔ)充。

3）新的計(jì)量單位制的物理復(fù)現(xiàn)及運(yùn)行服務(wù)工作，主要是新單位制基本量及導(dǎo)出量的量子化、芯片化復(fù)現(xiàn)工作，包括原理、方法、技術(shù)、裝置等諸方面內(nèi)容。該方面的量值將包括信息量值，如比特等的定義、復(fù)現(xiàn)、保存［8-9］；適應(yīng)人工智能計(jì)量校準(zhǔn)的量值，如定量評估聰敏程度或愚昧程度的量值定義、保存及復(fù)現(xiàn)；衡量心理成熟程度的成熟度或自信度、自卑度等的定義、保存與復(fù)現(xiàn)等。

4）新單位制基本量及導(dǎo)出量的量子化復(fù)現(xiàn)值與目前已有的各級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、計(jì)量器具的直接關(guān)聯(lián)以及其量值傳遞理論、方法和技術(shù)對接。

5）新單位制基本量及導(dǎo)出量的量子化復(fù)現(xiàn)值與目前實(shí)際工作的工程量值的直接關(guān)聯(lián)以及其量值傳遞理論、方法和技術(shù)對接。

6）未來的愿景目標(biāo)：量子化自然基準(zhǔn)嵌入商品，取消外部溯源及量值傳遞工作，僅僅需要商品內(nèi)部和系統(tǒng)內(nèi)部的完備量值控制、傳遞與溯源即可。

2 計(jì)量量子化帶來的變化及影響

1）在非量子化技術(shù)中，人們所復(fù)現(xiàn)、測量的物理量值通常是連續(xù)的和無限可分的。

因而，人們要復(fù)現(xiàn)、測量一定準(zhǔn)確度的量值時(shí)，一定需要更高準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和分辨力的量值測量系統(tǒng)、裝置、器具，從無例外。

而在量子化技術(shù)中，人們所復(fù)現(xiàn)的則是一些明確的、離散的、具有超高穩(wěn)定性和復(fù)現(xiàn)性的量值，人們只要將測量比較系統(tǒng)的分辨力和穩(wěn)定性優(yōu)于相鄰量子化量值的離散間隔的1/2，就可以正確無誤地“判別”出量子化技術(shù)所復(fù)現(xiàn)的物理量的真實(shí)量值。

因而，量子化計(jì)量的本質(zhì)，是人們借助于量子化物理效應(yīng)中的高穩(wěn)定度的離散現(xiàn)象，可以使用較低的測量準(zhǔn)確度和分辨力的測量系統(tǒng)、裝置、器具，獲得高得多的穩(wěn)定度和復(fù)現(xiàn)性的物理量值，從而突破實(shí)物系統(tǒng)、裝置、器具本身的測量準(zhǔn)確度的極限。

量子化效應(yīng)中的量值，多來源于極限條件下微小粒子能量轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生的特殊物理現(xiàn)象所呈現(xiàn)的離散化效應(yīng)，大多具有準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性比非量子化效應(yīng)量值的測量器具高一個(gè)或幾個(gè)數(shù)量級的特征。

通常，該類量值不再依賴或受限于某個(gè)具體的復(fù)現(xiàn)裝置、地理位置、外部條件，具有全球普適性，無需溯源和校準(zhǔn)。但在外層宇宙空間中，其量值是否仍然符合定義并具有和地球上一樣的普適性，仍然需要理論和實(shí)驗(yàn)證實(shí)［10］。

因此，它直接挑戰(zhàn)了目前不確定度評定標(biāo)準(zhǔn)中的真值不可知論的前提假設(shè)。若在計(jì)量校準(zhǔn)中，標(biāo)準(zhǔn)裝置的誤差比被計(jì)量對象小一個(gè)數(shù)量級以上時(shí)，應(yīng)該可以認(rèn)定其即為工程真值。在量子化效應(yīng)涉及的技術(shù)體系中，應(yīng)當(dāng)修訂相關(guān)法規(guī)文件，允許真值可知論的存在。

2）以量子化技術(shù)、原理、方法、裝置復(fù)現(xiàn)基本量及其導(dǎo)出量，是人們理所當(dāng)然的首選，其核心思想和理念是以較低精度的技術(shù)手段復(fù)現(xiàn)高精度的量值，并將其多值化、量程化、交流化、波形化［11-12］。

3）量子化計(jì)量裝置目前存在的幾個(gè)問題：

①體積龐大笨重，原理比較復(fù)雜，制造成本高昂；

②多數(shù)需要在接近絕對零度的超低溫條件下才有量子化效應(yīng)，工作條件苛刻，運(yùn)行維護(hù)成本高昂；

③原始的量子化效應(yīng)，僅能提供一個(gè)或幾個(gè)穩(wěn)定的量值，表現(xiàn)為僅有穩(wěn)定的量值而缺乏波形變化，很難直接廣泛應(yīng)用于工程實(shí)際中。

針對這些問題，人們一直在嘗試解決，例如：

①量子化計(jì)量裝置的小型化、便攜化、芯片化［13-14］，以期能夠降低成本，并將其嵌入到實(shí)際儀器系統(tǒng)中；

②高溫、常溫條件下量子化效應(yīng)的探索與研究［15］，以期能夠降低運(yùn)行維護(hù)成本；

③量子化計(jì)量裝置的多值化、量程化、交流化、波形化技術(shù)研究，以期能夠與工程實(shí)際應(yīng)用直接結(jié)合。

目前已經(jīng)開展的工作，例如用多個(gè)約瑟夫森結(jié)串聯(lián)疊加合成的1 V和10 V約瑟夫森電壓基準(zhǔn)，以眾多約瑟夫森結(jié)以D/A方式合成的交流約瑟夫森電壓基準(zhǔn)等，即屬于該方向上的技術(shù)嘗試［11-12］。

實(shí)際上，將現(xiàn)有的波形發(fā)生裝置的參量，如幅度、周期、脈寬等鎖定到量子化參考標(biāo)準(zhǔn)上，也應(yīng)該是交流量值與動態(tài)量值的量子化發(fā)展方向之一。

3 量子化計(jì)量給工業(yè)計(jì)量帶來的影響

3.1 行業(yè)計(jì)量與量子化融合

工業(yè)領(lǐng)域的眾多產(chǎn)品均非計(jì)量器具，但其產(chǎn)品指標(biāo)及質(zhì)量確需計(jì)量控制。其過程中的重要環(huán)節(jié)即是工業(yè)計(jì)量。但是在我國，相應(yīng)的法律法規(guī)還遠(yuǎn)未完善。

以航空行業(yè)為例，飛機(jī)、發(fā)動機(jī)以及其它航空器，均非計(jì)量器具，因而，從本質(zhì)上，就現(xiàn)行只監(jiān)管到計(jì)量器具的計(jì)量法的作用范疇而言，它們在總體上均不屬于計(jì)量法涉及的管理范疇。

只有國家軍用標(biāo)準(zhǔn)GJB 5109-2004《裝備計(jì)量保障通用要求檢測和校準(zhǔn)》，在涉及武器裝備的全壽命周期計(jì)量保障要求、國家的產(chǎn)品質(zhì)量法、國際分工合作的分包合同、航空器自身產(chǎn)品質(zhì)量與性能保證、民用航空的適航性檢測、飛行器維護(hù)維修保障等技術(shù)要求時(shí)，才真正實(shí)在地提出了航空計(jì)量的總體要求［16］。

這些具體而明確的要求復(fù)雜多樣、包羅面廣，總體上涉及航空行業(yè)的全產(chǎn)業(yè)鏈，航空產(chǎn)品的全溯源鏈，航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)、交付、使用、維護(hù)等全壽命周期，要求航空計(jì)量在其中體現(xiàn)出先導(dǎo)性、前瞻性、引領(lǐng)性與保障性。

它們即是航空計(jì)量的特點(diǎn)，也是難點(diǎn)，屬于航空行業(yè)計(jì)量工作中一直試圖解決的問題，且一直未能解決好。

隨著計(jì)量單位制變革，以及量子化、扁平化發(fā)展，將迎來解決航空計(jì)量問題的新一輪契機(jī)，并將會帶來新的解決方式。其具體范圍涉及航空產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、研制、試驗(yàn)、生產(chǎn)、制造、使用、維護(hù)、維修、保養(yǎng)等眾多方面。

航空計(jì)量的特點(diǎn)，可以概括為：

1）對象描述復(fù)雜；

2）技術(shù)要求復(fù)雜；

3）對象運(yùn)行過程封閉、復(fù)雜；

4）可靠性要求高。

舉例說來，航空發(fā)動機(jī)葉片，不僅材料及內(nèi)外部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其外形尺寸也極不規(guī)則。只用一個(gè)或幾個(gè)量值進(jìn)行面型描述，不可能全面完整，一定會存在眾多隱患。例如其面型量值控制與計(jì)量的參考面的確定就不能太過隨意和變化，應(yīng)有具體、穩(wěn)定、統(tǒng)一而明確的技術(shù)要求。參考點(diǎn)和參考面的不同，將導(dǎo)致獲取的控制量值截然不同，其加工、復(fù)現(xiàn)、工藝實(shí)現(xiàn)的難度、量值不確定度等也將明顯不同，它們之間的互導(dǎo)，將帶來額外的誤差和不確定度。其最佳計(jì)量方式，將是在制造過程中，實(shí)時(shí)調(diào)控其制造條件，以保證其形貌尺寸并直接溯源，確保其制造結(jié)果完全符合規(guī)格指標(biāo)的定義及質(zhì)量控制要求，并不再需要額外的檢驗(yàn)工序。但在制造過程中，其計(jì)量參考面尚未成形和出現(xiàn)，即使預(yù)先加工了計(jì)量參考面，其精度、完整性、可靠性等仍然存在問題，與加工完畢的成品有著本質(zhì)的差異，使得其加工過程的面型量值控制具有極大的難度和挑戰(zhàn)性。

另外，在航空制造工廠，有很多智能化的數(shù)字化加工中心，即智能機(jī)床，它們可以與計(jì)算機(jī)等直接相連，將數(shù)字化的機(jī)械圖紙直接轉(zhuǎn)化加工成復(fù)雜形貌的工件。這些工件的合格檢驗(yàn)，若使用人工手動進(jìn)行，其工作量巨大，時(shí)間成本高昂，并且使檢驗(yàn)很難做到全面和徹底。其最佳計(jì)量方式，依然是使用這類智能機(jī)床或數(shù)字化加工中心，它們本身對制造量值公差的控制和直接溯源，可保證其刀具等在裝配時(shí)或有一定程度磨損的情況下，都能符合預(yù)定的公差要求，使制造出的工件不必另行檢驗(yàn)而直接判定合格，從而節(jié)約大量時(shí)間和經(jīng)濟(jì)成本，并且使得制造過程的量值控制更加全面和徹底。

再有，針對面向未來制造而新出現(xiàn)的增材制造，如3D打印技術(shù)及裝備等，其加工結(jié)果的合格性計(jì)量檢驗(yàn)依然復(fù)雜繁瑣、成本巨大，并且還存在內(nèi)部結(jié)構(gòu)形貌無法檢驗(yàn)的情況。其最佳計(jì)量方式，依然是使用這類智能加工制造設(shè)備，它們本身對制造量值公差的控制和直接溯源，可保證在各種情況下，都能符合預(yù)定的公差要求［17］。

航空系統(tǒng)有很多試驗(yàn)臺，例如，對飛機(jī)各個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行地面試驗(yàn)的試驗(yàn)臺［18］有：①飛行品質(zhì)模擬試驗(yàn)臺；②飛行控制系統(tǒng)試驗(yàn)臺；③電網(wǎng)模擬試驗(yàn)臺；④燃油系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺；⑤液壓系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺；⑥環(huán)控系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺；⑦座艙蓋模擬試驗(yàn)臺；⑧航空電子綜合模擬試驗(yàn)臺；⑨進(jìn)氣道調(diào)節(jié)系統(tǒng)模擬試驗(yàn)臺；座艙照明模擬試驗(yàn)臺；發(fā)動機(jī)試車臺；發(fā)動機(jī)高空試驗(yàn)臺；飛機(jī)全靜力及疲勞試驗(yàn)系統(tǒng)；全機(jī)地面共振試驗(yàn)臺；機(jī)體結(jié)構(gòu)落振與墜撞試驗(yàn)臺；結(jié)構(gòu)部件振動強(qiáng)度試驗(yàn)臺；結(jié)構(gòu)噪聲測試試驗(yàn)臺；起落架落震試驗(yàn)臺；起落架擺振試驗(yàn)臺；離散源沖擊試驗(yàn)臺（飛機(jī)前座艙鳥撞試驗(yàn)臺，冰擊試驗(yàn)）；飛行器水平?jīng)_擊試驗(yàn)臺；擺錘擊胸假人試驗(yàn)系統(tǒng)；風(fēng)洞（常溫風(fēng)洞、高溫風(fēng)洞、低溫風(fēng)洞、亞音速風(fēng)洞、超音速風(fēng)洞、高超音速風(fēng)洞、激波風(fēng)洞等）；等等。這些試驗(yàn)臺一直游離于計(jì)量范疇之外，其根本原因在于建造時(shí)未能考慮其量值計(jì)量溯源問題，沒有進(jìn)行計(jì)量性設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其內(nèi)部許多量值無法在整體不拆裝時(shí)進(jìn)行計(jì)量校準(zhǔn)。

為了解決上述問題，并滿足航空產(chǎn)品全壽命周期的計(jì)量保障要求，航空工業(yè)內(nèi)部正在嘗試開展計(jì)量性研究。計(jì)量性設(shè)計(jì)目標(biāo)是利用最小的計(jì)量資源實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品性能指標(biāo)的穩(wěn)定輸出［18-20］，以推進(jìn)產(chǎn)品全壽命周期的計(jì)量保障活動，試圖從產(chǎn)品設(shè)計(jì)開始同步考慮計(jì)量問題，構(gòu)建產(chǎn)品性能參數(shù)的全溯源鏈，針對各個(gè)參數(shù)量值對產(chǎn)品性能指標(biāo)的影響進(jìn)行定量評估等活動。

良好的計(jì)量性設(shè)計(jì)與量子化計(jì)量的完備結(jié)合，將有可能徹底解決航空計(jì)量所面臨的眾多問題，使其性能、質(zhì)量、可靠性、效益等均獲得極大提升。

計(jì)量量子化為計(jì)量性設(shè)計(jì)帶來的影響，可能包括：

1）溯源鏈重塑；

2）以內(nèi)嵌式計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)或芯片取代外部計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)；

3）實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)全自動計(jì)量校準(zhǔn)；

4）最終理想的狀況是取消外部溯源。

從而簡化和取消計(jì)量性評估、實(shí)施、確認(rèn)等其它環(huán)節(jié)。

3.2 量子計(jì)量融入工業(yè)產(chǎn)品的全壽命周期

在工程領(lǐng)域，產(chǎn)品的全壽命是指產(chǎn)品在時(shí)間維度上由生至死的過程。根據(jù)不同的關(guān)注重點(diǎn)以及不同類別的產(chǎn)品可以產(chǎn)生不同的壽命劃分階段，但是無論產(chǎn)品全壽命怎么劃分階段，對產(chǎn)品進(jìn)行統(tǒng)籌管理和科學(xué)保障的目的是一致的。通常，產(chǎn)品全壽命周期可以劃分為“研制立項(xiàng)、方案論證、設(shè)計(jì)、研制、使用以及維護(hù)、報(bào)廢”幾個(gè)階段，或者劃分為“預(yù)研、論證、研制、定型、生產(chǎn)、采購、使用和維修、報(bào)廢”諸階段，或者劃分為“需求分析、概念設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)、制造、銷售、售后服務(wù)”等階段。隨著產(chǎn)品全壽命概念的擴(kuò)展，在某些領(lǐng)域?qū)⒅饾u在“使用和維修”或“售后服務(wù)”階段中單獨(dú)提出“回收階段”或“報(bào)廢階段”等。

全壽命計(jì)量的概念是依托產(chǎn)品全壽命概念演變而來的，是圍繞產(chǎn)品在全壽命過程中統(tǒng)籌開展的計(jì)量保障工作使產(chǎn)品的性能動態(tài)穩(wěn)定在目標(biāo)狀態(tài)的技術(shù)與管理的統(tǒng)稱，它包括技術(shù)保障和管理體系保障。

該項(xiàng)工作在航空計(jì)量領(lǐng)域具有復(fù)雜、繁瑣、參量眾多、難度巨大的特征，多涉及性能控制、質(zhì)量監(jiān)測、健康狀況監(jiān)測、合格評估等。減少外部溯源的任務(wù)十分艱巨。量子化、芯片化、嵌入式計(jì)量校準(zhǔn)與良好的產(chǎn)品計(jì)量性設(shè)計(jì)結(jié)合，將為該類工作提供契機(jī)和優(yōu)良前景。其最大的優(yōu)勢可能在于量子化計(jì)量直接溯源到基本量，不再需要額外的向上級溯源操作，將極大簡化計(jì)量環(huán)節(jié)，提高效率，降低成本，促進(jìn)行業(yè)技術(shù)提升和技術(shù)進(jìn)步。

3.3 量子計(jì)量與虛擬儀器技術(shù)的結(jié)合應(yīng)用

工業(yè)計(jì)量中有許多任務(wù)涉及到各種量值的波形計(jì)量，從簡單的正弦波、脈沖波、階躍波、猝發(fā)信號波形、隨機(jī)信號波形，到模擬調(diào)制的AM，F(xiàn)M，PM波形及數(shù)字調(diào)制的各種碼流等波形序列，復(fù)雜多樣。量子化計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)通常很難提供復(fù)雜多變的波形，因而，可以將波形參量提取出來并與量子化計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)相比較的虛擬儀器技術(shù)應(yīng)該是工業(yè)計(jì)量的一個(gè)非常有前景的發(fā)展方向［21-22］。通過芯片化的量子化計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)、A/D和D/A技術(shù)，以及通用數(shù)據(jù)采集平臺、通用任意波發(fā)生器平臺、數(shù)字信號處理技術(shù)、模型化測量方法等，各種理論、方法、技術(shù)相融合，推動和解決量子化物理量值向復(fù)雜波形參數(shù)的量值傳遞問題，從而最終解決工業(yè)產(chǎn)品及系統(tǒng)中的復(fù)雜波形參量的計(jì)量校準(zhǔn)問題。在航空行業(yè)尤其如此。

3.4 芯片化計(jì)量技術(shù)的推動作用

芯片化計(jì)量技術(shù)是以美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）為首的西方發(fā)達(dá)國家計(jì)量院所近年來推出的一個(gè)計(jì)量技術(shù)發(fā)展方向。本身包含三個(gè)層次：首先是現(xiàn)有計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的小型化、芯片化、集成化，試圖將龐大復(fù)雜的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)芯片尺度的縮微集成，以便降低成本和靈活運(yùn)用；其次是將眾多不同量值的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)集成到一片芯片上，從而實(shí)現(xiàn)一片多值的復(fù)合芯片級計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)；最后是實(shí)現(xiàn)量子化計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的芯片化集成，使其不再需要外部溯源，從而徹底解決物理量值的溯源問題。

目前，機(jī)載信息化武器裝備在使用過程中，其常規(guī)傳感/測試系統(tǒng)需要拆卸進(jìn)行離線計(jì)量校準(zhǔn)、維修保養(yǎng)，傳感/測試與計(jì)量校準(zhǔn)分立，極大影響了裝備運(yùn)行效率并制約裝備智能化發(fā)展?；谇度胧降男酒売?jì)量標(biāo)準(zhǔn)和傳感技術(shù)具有長期穩(wěn)定性、高準(zhǔn)確度、可實(shí)時(shí)監(jiān)測和多測量參數(shù)集成的優(yōu)點(diǎn)，可以提升航空裝備的測量精度，提升武器裝備試驗(yàn)效率，提高裝備智能化發(fā)展水平。

首先，芯片級計(jì)量設(shè)備可直接嵌入到待測設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)不受環(huán)境干擾的實(shí)時(shí)測量，在保證測量精度的前提下，有利于各種武器裝備與系統(tǒng)的小型化和集成化。

例如，基于量子光學(xué)的芯片級光梳，可應(yīng)用于激光測距領(lǐng)域，特別針對一些便攜化的測距應(yīng)用場合（如無人駕駛飛機(jī)或衛(wèi)星、智能工廠的過程控制）。這些應(yīng)用程序?qū)y量速度和精度以及光學(xué)測距系統(tǒng)的尺寸都有非常嚴(yán)格的要求。

芯片級光梳，也可以為將來便攜式激光測距儀、小型化激光雷達(dá)、微型無人機(jī)等高新武器裝備提供更精密的激光源，有利于無人機(jī)等裝備的小型化、便攜化與集成化發(fā)展。同時(shí)，芯片級光梳作為頻率梳齒，可以直接對長度量值進(jìn)行校準(zhǔn)溯源，對軍事領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的中紅外激光源進(jìn)行校準(zhǔn)。

其次，基于量子原理的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)芯片，具有長期穩(wěn)定性，量值直接溯源到基本物理量，無需外部溯源，可以提高量子化芯片標(biāo)準(zhǔn)的武器裝備的試驗(yàn)效率。如基于量子原理的芯片級原子鐘，可直接嵌入分布式傳感器、武器平臺、指揮控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)所需的時(shí)間同步精度，確保通信和協(xié)同準(zhǔn)確。

特別是在衛(wèi)星導(dǎo)航信號拒止的情況下，芯片級原子鐘可確保用時(shí)終端在一定的時(shí)間內(nèi)，仍具有精確的導(dǎo)航、定位和授時(shí)能力。如在導(dǎo)彈制導(dǎo)過程中，因?qū)楋w行速度快，位置變化快，需要維持精準(zhǔn)的時(shí)間才能確保打擊效果。雖然在打擊時(shí)間、位置的導(dǎo)航定位上，不需要原子鐘級別的時(shí)間同步，但導(dǎo)彈與地面、衛(wèi)星的通信控制需要高精度時(shí)間同步。在導(dǎo)彈飛行試驗(yàn)過程中，需要時(shí)刻保持與測控基站、信息收集站的高帶寬數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)，必須保持時(shí)間高度同步。芯片級原子鐘嵌入到導(dǎo)航系統(tǒng)中，使其在短時(shí)間飛行過程中擺脫衛(wèi)星導(dǎo)航時(shí)間同步的束縛（飛行速度快、信號質(zhì)量差、周圍沒有差分站等等），可大幅提高武器試射工作的質(zhì)量效益。

最后，芯片級計(jì)量能將多個(gè)量值參數(shù)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)集成在一個(gè)芯片模塊上，實(shí)現(xiàn)集多參量、高精度為一體的芯片級綜合計(jì)量，可以節(jié)約計(jì)量測試成本，促進(jìn)武器裝備智能化發(fā)展。如采用一塊集成了溫度、濕度、壓力、時(shí)間、長度的芯片級傳感器，將其應(yīng)用在武器裝備測試現(xiàn)場，可極大節(jié)省準(zhǔn)備計(jì)量校準(zhǔn)的時(shí)間，降低測試成本，促進(jìn)武器裝備的智能化發(fā)展。

4 結(jié)語

綜上可見，計(jì)量單位制的變革給計(jì)量行業(yè)帶來了新的挑戰(zhàn)，量子化計(jì)量為新一輪的工業(yè)革命帶來契機(jī)。工業(yè)計(jì)量行業(yè)，若能圍繞產(chǎn)品與裝備的自主創(chuàng)新發(fā)展需求，積極開展先進(jìn)計(jì)量測試技術(shù)理論的研究探索，研究評價(jià)各類量子測量方案的先進(jìn)性與可行性，將為行業(yè)計(jì)量開辟出一個(gè)前所未有的新天地。真正踐行“科技要發(fā)展，計(jì)量須先行”理念，落實(shí)“需求牽引、技術(shù)推動”原則，在未來新一代裝備與產(chǎn)品的自主創(chuàng)新發(fā)展進(jìn)程中發(fā)揮堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)技術(shù)支撐作用，為我國自主工業(yè)產(chǎn)品的技術(shù)先進(jìn)性與量產(chǎn)可靠性提供技術(shù)保障與支撐。