銣原子頻率標準頻率穩定度測量方法及不確定度評定

浙江省計量科學研究院 韓海林 孫 杰

引言

銣原子頻率標準廣泛應用于無線電導航與定位、數字通信和時間頻率測量等領域，它在時間頻率量傳體系中起著重要作用。頻率穩定度是頻標計量特性中最重要的一項技術指標，使用頻標的最終目的是要獲得準確的頻率值，而頻率的穩定度影響了頻率的準確度。目前國家檢定規程JG292-2009《銣原子頻率標準》規定了頻率穩定度頻標比對器測量法、頻差倍增器測量法、時差法、比相法等四種檢定項目。本文主要介紹利用時差法測量銣原子頻率標準的頻率穩定度，并對測量結果進行不確定度評定。

1 時差法原理及測量方法

頻率穩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準10MHz輸出端口和參考頻標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準信號通過分頻器產生的1PPS上升沿作為啟動信號，由B路輸入的參考頻標信號通過分頻器產生的1PPS上升沿作為停止信號，取樣時間為分別為10000s和86400s，連續測量15組時差值。若被檢銣原子頻率標準技術說明書給出的穩定度按哈德瑪方差進行評定則按公式（1）計算頻率穩定度，否則按公式（2）計算頻率穩定度。

2 測量不確定度評定

2.1 建立數學模型

2.2 頻率穩定度的測量不確定度評定

(1)銫原子頻率標準輸出秒脈沖的不準確引入的不確定度分量。

根據上一級計量檢定機構給出的檢定結果，銫原子頻率標準的頻率準確度為5×10-13，則半區間寬度a=5×10-13，在區間內均勻分布,包含因子k=，則標準不確定度：

(2)銫原子頻率標準輸出秒脈沖的不穩定引入的不確定度分量。

根據上一級計量檢定機構給出的檢定結果，以取樣時間為10000s為例，其頻率穩定度為1.8×10-13，則半區間寬度a=1.8×10-13，在區間內均勻分布，包含因子包含因子k=，則標準不確定度：u2=1.6×10-12/=1.0×10-13。

2.2.2 輸入量 引入的標準不確定度分量

(1)通用計數器分辨力引入的不確定度分量。

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

(2)供電電源不穩與磁場變化引入的不確定度分量可以忽略不計。

(3)測量標準重復性引入的不確定度分量。

選用性能穩定的MRT-H-101型銣原子頻率標準作為被測對象，連續測量10次，計算算術平均值的實驗標準偏差為1.3×10-13，因此標準不確定度分量u4=1.3×10-13。

表1 頻率穩定度測量結果

2.2.3 合成標準不確定度的評定

T0與彼此獨立互不相關，因此合成標準不確定度為：

2.3 擴展不確定度評定

k取2，則擴展不確定度如下：

因此銣原子頻率標準在取樣時間為10000s時頻率穩定度測量的擴展不確定度為6.0×10-11，取樣時間為86400s亦可參考評定。

3 結束語

本文利用時差法對銣原子頻率標準頻率穩定度測量的工作原理進行了介紹，并對測量結果的不確定度進行了評定,實現了利用計算機自動測量系統對取樣時間為10000s、86400s銣原子頻率標準頻率穩定度的測量。

[1]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJg292-2009.杭州:國家質量監督檢驗檢疫總局,2009.

[2]國家質量監督檢驗檢疫總局.JJF1059.1-2012.杭州:國家質量監督檢驗檢疫總局,2012.