铷原子频率标准频率稳定度测量方法及不确定度评定

浙江省计量科学研究院 韩海林 孙 杰

引言

铷原子频率标准广泛应用于无线电导航与定位、数字通信和时间频率测量等领域，它在时间频率量传体系中起着重要作用。频率稳定度是频标计量特性中最重要的一项技术指标，使用频标的最终目的是要获得准确的频率值，而频率的稳定度影响了频率的准确度。目前国家检定规程JG292-2009《铷原子频率标准》规定了频率稳定度频标比对器测量法、频差倍增器测量法、时差法、比相法等四种检定项目。本文主要介绍利用时差法测量铷原子频率标准的频率稳定度，并对测量结果进行不确定度评定。

1 时差法原理及测量方法

频率稳定度时差法测量原理如图1所示。

图1 时差法测量原理图

将被检的铷原子频率标准10MHz输出端口和参考频标10MHz输出端口分别接入两个分频器，分频器的1PPS信号分别接入到通用计数器的A输入口和B输入口。其中由A路输入的被检铷原子频率标准信号通过分频器产生的1PPS上升沿作为启动信号，由B路输入的参考频标信号通过分频器产生的1PPS上升沿作为停止信号，取样时间为分别为10000s和86400s，连续测量15组时差值。若被检铷原子频率标准技术说明书给出的稳定度按哈德玛方差进行评定则按公式（1）计算频率稳定度，否则按公式（2）计算频率稳定度。

2 测量不确定度评定

2.1 建立数学模型

2.2 频率稳定度的测量不确定度评定

(1)铯原子频率标准输出秒脉冲的不准确引入的不确定度分量。

根据上一级计量检定机构给出的检定结果，铯原子频率标准的频率准确度为5×10-13，则半区间宽度a=5×10-13，在区间内均匀分布,包含因子k=，则标准不确定度：

(2)铯原子频率标准输出秒脉冲的不稳定引入的不确定度分量。

根据上一级计量检定机构给出的检定结果，以取样时间为10000s为例，其频率稳定度为1.8×10-13，则半区间宽度a=1.8×10-13，在区间内均匀分布，包含因子包含因子k=，则标准不确定度：u2=1.6×10-12/=1.0×10-13。

2.2.2 输入量 引入的标准不确定度分量

(1)通用计数器分辨力引入的不确定度分量。

SR620型通用计数器测量时间间隔的分辨力为1×10-13，测的时差值经上文频率稳定度计算公式计算后可忽略不计。

(2)供电电源不稳与磁场变化引入的不确定度分量可以忽略不计。

(3)测量标准重复性引入的不确定度分量。

选用性能稳定的MRT-H-101型铷原子频率标准作为被测对象，连续测量10次，计算算术平均值的实验标准偏差为1.3×10-13，因此标准不确定度分量u4=1.3×10-13。

表1 频率稳定度测量结果

2.2.3 合成标准不确定度的评定

T0与彼此独立互不相关，因此合成标准不确定度为：

2.3 扩展不确定度评定

k取2，则扩展不确定度如下：

因此铷原子频率标准在取样时间为10000s时频率稳定度测量的扩展不确定度为6.0×10-11，取样时间为86400s亦可参考评定。

3 结束语

本文利用时差法对铷原子频率标准频率稳定度测量的工作原理进行了介绍，并对测量结果的不确定度进行了评定,实现了利用计算机自动测量系统对取样时间为10000s、86400s铷原子频率标准频率稳定度的测量。

[1]国家质量监督检验检疫总局.JJg292-2009.杭州:国家质量监督检验检疫总局,2009.

[2]国家质量监督检验检疫总局.JJF1059.1-2012.杭州:国家质量监督检验检疫总局,2012.