原子钟性能试验与分析

陈静

摘要：原子钟作为高精度时频系统的关键设备，主要功能是产生时间信号和频率信号。氢原子钟和铯原子钟性能不同，在高精度守时系统中作用也不同。文中介绍了氢原子钟和铯原子钟的主要性能指标，以协调世界时UTC（NIM）为时间频率参考信号，对市面上常见的氢原子钟和铯原子钟的性能指标进行试验分析，通过近期（2018-2022年）的试验数据进行了相应的比对分析，供有关同行予以参考。

关键词：原子钟；频率稳定度；相位噪声；守时系统

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

时间频率标准信号通常由守时系统产生和保持。守时钟组、原子时算法是守时系统最重要的部分。构成守时钟组的原子钟一般为商用原子钟，功能是产生时间信号和频率信号。

文中陆续对国内外商用原子钟进行调研，整理收集现有守时系统使用商用原子钟的类型，用于试验分析。商用原子钟主要是铯原子钟和氢原子钟。氢原子钟和铯原子钟性能不同，在高精度守时系统中作用也不同。铯原子钟的短期频率稳定性不高，但长期稳定性良好，且具有较高的性价比。氢原子鐘的短期频率稳定度较高，但对环境条件要求严格，价格也较高。

1原子钟性能试验

原子钟作为高精度守时系统的关键设备，主要性能指标包括频率稳定度、相位噪声和相对频率偏差[1]。

试验以UTC（NIM）为参考频率源，其相对频率偏差优于5×10-14，日频率稳定度在10-15量级，对各类型原子钟的频率稳定度、相位噪声和频率准确度（相对频率偏差）进行测试，并对其相应试验结果进行分析。

1.1频率稳定度试验结果及分析

原子钟内部噪声会影响原子钟输出频率在一个范围内波动，一般采用频率稳定度来描述原子钟输出频率受噪声影响随机起伏的程度，常用阿伦偏差来描述频率稳定度。根据连续采集的相差数据和时差数据，应用阿伦偏差方式求其频率稳定度[2-4]。表1所示为各A型氢原子钟的稳定度统计情况。

由表1可知，抽样的4台A型氢原子钟的频率稳定度全部优于指标要求，（1～1000）s频率稳定度变化相似，（3600～86400）s频率稳定度稍有差异，但均在其技术指标范围之内。

表2所示为各B型氢原子钟的稳定度统计情况。由表2可知，抽样的4台B型氢原子钟的频率稳定度全部优于指标要求，（1～86400）s频率稳定度变化相似，均在其技术指标范围之内。

由表3可知，抽样的4台C型氢原子钟的频率稳定度全部优于指标要求，（1～100）s频率稳定度略有差异，主要以频率闪烁噪声影响为主，（1000～86400）s频率稳定度变化相似，均在其技术指标范围之内。

由表4可知，抽样的2台D型氢原子钟的频率稳定度全部优于指标要求，（1～100）s频率稳定度变化相似，（1000～86400）s频率稳定度稍有差异，但均在其技术指标范围之内。

氢原子钟的短期频率稳定度较高，但对环境条件要求严格，价格也较高。汇总国内外4种氢原子钟实测频率稳定度数据如表5所示。

铯原子钟根据其物理机理可分为磁选态和激光抽运两种类型。以下是5种铯原子钟频率稳定度统计情况。详见表6～表10。

由表6可知，抽样的7台A型铯原子钟的频率稳定度全部优于指标要求，（1～86400）s频率稳定度变化相似。

由表7可知，抽样的7台B型铯原子钟的频率稳定度全部优于指标要求，（1～86400）s频率稳定度变化相似。

由表8可知，抽样的7台C型铯原子钟的频率稳定度全部优于指标要求。

由表9可知，抽样的7台D型铯原子钟的频率稳定度全部优于指标要求，（1～86400）s频率稳定度变化相似。

由表10可知，抽样的7台E型铯原子钟的频率稳定度全部优于指标要求，（1～86400）s频率稳定度曲线变化相似。

虽然，铯原子钟的短期频率稳定性不高，但长期稳定性良好，且具有较高的性价比。将国内外5种铯原子钟实测频率稳定度数据统计如表11所示。

1.2相位噪声试验结果及分析

相位噪声是衡量原子钟性能的重要指标。原子钟在运行过程中，存在由原子钟内部的热噪声、散弹噪声、闪变噪声等引起的相位随机起伏，常采用幂律谱模型来描述。相位噪声由五种独立的噪声组成，即随机游走调频噪声、闪变调频噪声、白色调频噪声、闪变调相噪声和白色调相噪声。通过对原子钟的相位噪声进行测试，从而更全面地分析各原子钟的特性[2-4]。表12所示为不同类型原子钟的相位噪声测试数据。

由表12可知，抽样的4台A型氢原子钟优于指标要求。

由表13可知，抽样的4台B型氢原子钟相位噪声在指标线附近浮动，略低于指标要求。

由表14可知，抽样的4台C型氢原子钟优于指标要求。

由表15可知，抽样的2台D型氢原子钟相位噪声变化曲线相似，均优于其技术指标。

以下是5种铯原子钟的相位噪声变化情况。

由表17可知，抽样的4台A型铯原子钟相位噪声变化曲线相似，均优于其技术指标。

由表18可知，抽样的4台B型铯原子钟优于其技术指标。

由表19可知，抽样的4台C型铯原子钟优于其技术指标。

由表20可知，抽样的4台D型铯原子钟相位噪声变化曲线相似，均优于其技术指标。

由表21可知，抽样的4台E型铯原子钟相位噪声变化曲线相似，均优于其技术指标。

1.3相对频率偏差试验结果及分析

相对频率偏差是用来表征被测频率与其标称频率偏差的程度。采用时差法对被测原子钟的相对频率偏差进行测试，连续采集了15天内各原子钟的时差数据，计算每天各原子钟的相对频率偏差，统计15天内各原子钟相对频率偏差值，其结果如表23所示。

由表23可以看出，D型国产氢原子钟与B型国外标准管氢原子钟、A型优质管氢原子钟、C型氢原子鐘相对频率偏差均为E-13数量级。C型国产铯原子钟与国外D型铯原子钟、A型标准管铯原子钟的相对频率偏差值相当。E型国产铯原子钟与国外B型铯原子钟的相对频率偏差相当，但二者与C型国产铯原子钟与国外D型铯原子钟、A型标准管铯原子钟相比，还存在一定的差异。

2结论

实验室的守时钟组一般采用氢钟和铯钟联合进行守时。经过大量的试验验证，氢钟在天稳以内的短期稳定度比铯钟好一个数量级以上。由于氢钟存在频率漂移，当漂移率与稳定度大小处于相同量级时，频率漂移开始影响稳定度，导致氢钟频率稳定度指标下降。由于铯钟几乎不存在频率漂移，长期稳定度逐渐接近甚至好于氢钟。此外，国内外氢原子钟和铯原子钟在相位噪声方面实测值相差不大，并无明显优劣。以上测试和分析仅为抽样结果，仅供参考。因此建议实验室在配置钟组时，在经费允许的条件下，尽量优先选择氢钟作为守时钟组可得到较好的钟组性能；铯钟对钟组稳定性的贡献较小，但铯钟价格较氢钟便宜，且对实验室配套要求较低。

参考文献

[1]马凤鸣.时间频率计量[M].北京：中国计量出版社，2009.

[2]Panfilo G， Arias F. The coordinated universal time（UTC）[J].Metrologia.2019Jun 18;56（4）：042001.

[3]王锐，袁静，班亚，杨帆，罗浩，江力，罗亚雄.原子时算法分析与对比[J].计量学报.2020：41（3）：363-8.

[4]刘金获，唐成盼，周善石，胡小工，杨宇飞，杨建华，刘宇宸.PPP-B2b实时精密钟差短期性能评估及更新频度研究[J].天文学进展.2022：40（4）：614.