原子鐘性能試驗(yàn)與分析

陳靜

摘要：原子鐘作為高精度時(shí)頻系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要功能是產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)。氫原子鐘和銫原子鐘性能不同，在高精度守時(shí)系統(tǒng)中作用也不同。文中介紹了氫原子鐘和銫原子鐘的主要性能指標(biāo)，以協(xié)調(diào)世界時(shí)UTC（NIM）為時(shí)間頻率參考信號(hào)，對(duì)市面上常見的氫原子鐘和銫原子鐘的性能指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)分析，通過近期（2018-2022年）的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相應(yīng)的比對(duì)分析，供有關(guān)同行予以參考。

關(guān)鍵詞：原子鐘；頻率穩(wěn)定度；相位噪聲；守時(shí)系統(tǒng)

Performance Test and Analysis of Atomic Clock

CHEN Jing

（Fujian Metrology Institute， Fuzhou 350000， Fujian， China）

Abstract： As the key equipment of high precision time-frequency system， atomic clock is mainly used to generate time signal and frequency signal. Hydrogen atom clock and cesium atomic clock have different performances and play different roles in high precision time keeping systems. In this paper， the main performance indexes of hydrogen atom clock and cesium atomic clock are introduced， and the performance indexes of common hydrogen atom clock and cesium atomic clock in the market are tested by taking Coordinated Universal Time UTC（NIM） as the time frequency reference signal， and the corresponding comparative analysis is made based on the recent test data （2018-2022）， so as to provide reference for related colleagues.

Key Words： Atomic clock; Frequency stability; Phase noise; Timing system

0 引言

時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)通常由守時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生和保持。守時(shí)鐘組、原子時(shí)算法是守時(shí)系統(tǒng)最重要的部分。構(gòu)成守時(shí)鐘組的原子鐘一般為商用原子鐘，功能是產(chǎn)生時(shí)間信號(hào)和頻率信號(hào)。

文中陸續(xù)對(duì)國(guó)內(nèi)外商用原子鐘進(jìn)行調(diào)研，整理收集現(xiàn)有守時(shí)系統(tǒng)使用商用原子鐘的類型，用于試驗(yàn)分析。商用原子鐘主要是銫原子鐘和氫原子鐘。氫原子鐘和銫原子鐘性能不同，在高精度守時(shí)系統(tǒng)中作用也不同。銫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定性不高，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好，且具有較高的性價(jià)比。氫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度較高，但對(duì)環(huán)境條件要求嚴(yán)格，價(jià)格也較高。

1原子鐘性能試驗(yàn)

原子鐘作為高精度守時(shí)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，主要性能指標(biāo)包括頻率穩(wěn)定度、相位噪聲和相對(duì)頻率偏差[1]。

試驗(yàn)以UTC（NIM）為參考頻率源，其相對(duì)頻率偏差優(yōu)于5×10-14，日頻率穩(wěn)定度在10-15量級(jí)，對(duì)各類型原子鐘的頻率穩(wěn)定度、相位噪聲和頻率準(zhǔn)確度（相對(duì)頻率偏差）進(jìn)行測(cè)試，并對(duì)其相應(yīng)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。

1.1頻率穩(wěn)定度試驗(yàn)結(jié)果及分析

原子鐘內(nèi)部噪聲會(huì)影響原子鐘輸出頻率在一個(gè)范圍內(nèi)波動(dòng)，一般采用頻率穩(wěn)定度來描述原子鐘輸出頻率受噪聲影響隨機(jī)起伏的程度，常用阿倫偏差來描述頻率穩(wěn)定度。根據(jù)連續(xù)采集的相差數(shù)據(jù)和時(shí)差數(shù)據(jù)，應(yīng)用阿倫偏差方式求其頻率穩(wěn)定度[2-4]。表1所示為各A型氫原子鐘的穩(wěn)定度統(tǒng)計(jì)情況。

由表1可知，抽樣的4臺(tái)A型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求，（1～1000）s頻率穩(wěn)定度變化相似，（3600～86400）s頻率穩(wěn)定度稍有差異，但均在其技術(shù)指標(biāo)范圍之內(nèi)。

表2所示為各B型氫原子鐘的穩(wěn)定度統(tǒng)計(jì)情況。由表2可知，抽樣的4臺(tái)B型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似，均在其技術(shù)指標(biāo)范圍之內(nèi)。

由表3可知，抽樣的4臺(tái)C型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求，（1～100）s頻率穩(wěn)定度略有差異，主要以頻率閃爍噪聲影響為主，（1000～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似，均在其技術(shù)指標(biāo)范圍之內(nèi)。

由表4可知，抽樣的2臺(tái)D型氫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求，（1～100）s頻率穩(wěn)定度變化相似，（1000～86400）s頻率穩(wěn)定度稍有差異，但均在其技術(shù)指標(biāo)范圍之內(nèi)。

氫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定度較高，但對(duì)環(huán)境條件要求嚴(yán)格，價(jià)格也較高。匯總國(guó)內(nèi)外4種氫原子鐘實(shí)測(cè)頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)如表5所示。

銫原子鐘根據(jù)其物理機(jī)理可分為磁選態(tài)和激光抽運(yùn)兩種類型。以下是5種銫原子鐘頻率穩(wěn)定度統(tǒng)計(jì)情況。詳見表6～表10。

由表6可知，抽樣的7臺(tái)A型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似。

由表7可知，抽樣的7臺(tái)B型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似。

由表8可知，抽樣的7臺(tái)C型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求。

由表9可知，抽樣的7臺(tái)D型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度變化相似。

由表10可知，抽樣的7臺(tái)E型銫原子鐘的頻率穩(wěn)定度全部?jī)?yōu)于指標(biāo)要求，（1～86400）s頻率穩(wěn)定度曲線變化相似。

雖然，銫原子鐘的短期頻率穩(wěn)定性不高，但長(zhǎng)期穩(wěn)定性良好，且具有較高的性價(jià)比。將國(guó)內(nèi)外5種銫原子鐘實(shí)測(cè)頻率穩(wěn)定度數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)如表11所示。

1.2相位噪聲試驗(yàn)結(jié)果及分析

相位噪聲是衡量原子鐘性能的重要指標(biāo)。原子鐘在運(yùn)行過程中，存在由原子鐘內(nèi)部的熱噪聲、散彈噪聲、閃變?cè)肼暤纫鸬南辔浑S機(jī)起伏，常采用冪律譜模型來描述。相位噪聲由五種獨(dú)立的噪聲組成，即隨機(jī)游走調(diào)頻噪聲、閃變調(diào)頻噪聲、白色調(diào)頻噪聲、閃變調(diào)相噪聲和白色調(diào)相噪聲。通過對(duì)原子鐘的相位噪聲進(jìn)行測(cè)試，從而更全面地分析各原子鐘的特性[2-4]。表12所示為不同類型原子鐘的相位噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)。

由表12可知，抽樣的4臺(tái)A型氫原子鐘優(yōu)于指標(biāo)要求。

由表13可知，抽樣的4臺(tái)B型氫原子鐘相位噪聲在指標(biāo)線附近浮動(dòng)，略低于指標(biāo)要求。

由表14可知，抽樣的4臺(tái)C型氫原子鐘優(yōu)于指標(biāo)要求。

由表15可知，抽樣的2臺(tái)D型氫原子鐘相位噪聲變化曲線相似，均優(yōu)于其技術(shù)指標(biāo)。

以下是5種銫原子鐘的相位噪聲變化情況。

由表17可知，抽樣的4臺(tái)A型銫原子鐘相位噪聲變化曲線相似，均優(yōu)于其技術(shù)指標(biāo)。

由表18可知，抽樣的4臺(tái)B型銫原子鐘優(yōu)于其技術(shù)指標(biāo)。

由表19可知，抽樣的4臺(tái)C型銫原子鐘優(yōu)于其技術(shù)指標(biāo)。

由表20可知，抽樣的4臺(tái)D型銫原子鐘相位噪聲變化曲線相似，均優(yōu)于其技術(shù)指標(biāo)。

由表21可知，抽樣的4臺(tái)E型銫原子鐘相位噪聲變化曲線相似，均優(yōu)于其技術(shù)指標(biāo)。

1.3相對(duì)頻率偏差試驗(yàn)結(jié)果及分析

相對(duì)頻率偏差是用來表征被測(cè)頻率與其標(biāo)稱頻率偏差的程度。采用時(shí)差法對(duì)被測(cè)原子鐘的相對(duì)頻率偏差進(jìn)行測(cè)試，連續(xù)采集了15天內(nèi)各原子鐘的時(shí)差數(shù)據(jù)，計(jì)算每天各原子鐘的相對(duì)頻率偏差，統(tǒng)計(jì)15天內(nèi)各原子鐘相對(duì)頻率偏差值，其結(jié)果如表23所示。

由表23可以看出，D型國(guó)產(chǎn)氫原子鐘與B型國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)管氫原子鐘、A型優(yōu)質(zhì)管氫原子鐘、C型氫原子鐘相對(duì)頻率偏差均為E-13數(shù)量級(jí)。C型國(guó)產(chǎn)銫原子鐘與國(guó)外D型銫原子鐘、A型標(biāo)準(zhǔn)管銫原子鐘的相對(duì)頻率偏差值相當(dāng)。E型國(guó)產(chǎn)銫原子鐘與國(guó)外B型銫原子鐘的相對(duì)頻率偏差相當(dāng)，但二者與C型國(guó)產(chǎn)銫原子鐘與國(guó)外D型銫原子鐘、A型標(biāo)準(zhǔn)管銫原子鐘相比，還存在一定的差異。

2結(jié)論

實(shí)驗(yàn)室的守時(shí)鐘組一般采用氫鐘和銫鐘聯(lián)合進(jìn)行守時(shí)。經(jīng)過大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，氫鐘在天穩(wěn)以內(nèi)的短期穩(wěn)定度比銫鐘好一個(gè)數(shù)量級(jí)以上。由于氫鐘存在頻率漂移，當(dāng)漂移率與穩(wěn)定度大小處于相同量級(jí)時(shí)，頻率漂移開始影響穩(wěn)定度，導(dǎo)致氫鐘頻率穩(wěn)定度指標(biāo)下降。由于銫鐘幾乎不存在頻率漂移，長(zhǎng)期穩(wěn)定度逐漸接近甚至好于氫鐘。此外，國(guó)內(nèi)外氫原子鐘和銫原子鐘在相位噪聲方面實(shí)測(cè)值相差不大，并無明顯優(yōu)劣。以上測(cè)試和分析僅為抽樣結(jié)果，僅供參考。因此建議實(shí)驗(yàn)室在配置鐘組時(shí)，在經(jīng)費(fèi)允許的條件下，盡量?jī)?yōu)先選擇氫鐘作為守時(shí)鐘組可得到較好的鐘組性能；銫鐘對(duì)鐘組穩(wěn)定性的貢獻(xiàn)較小，但銫鐘價(jià)格較氫鐘便宜，且對(duì)實(shí)驗(yàn)室配套要求較低。

參考文獻(xiàn)

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