CN111367157B - 一种多路比相测量系统及方法 - Google Patents

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CN111367157B CN202010304949.6A CN202010304949A CN111367157B CN 111367157 B CN111367157 B CN 111367157B CN 202010304949 A CN202010304949 A CN 202010304949A CN 111367157 B CN111367157 B CN 111367157B
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王玉琢
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    • G04D—APPARATUS OR TOOLS SPECIALLY DESIGNED FOR MAKING OR MAINTAINING CLOCKS OR WATCHES
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    • G04D7/002—Electrical measuring and testing apparatus
    • G—PHYSICS
    • G04—HOROLOGY
    • G04F—TIME-INTERVAL MEASURING
    • G04F5/00—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards
    • G04F5/14—Apparatus for producing preselected time intervals for use as timing standards using atomic clocks

Abstract

本发明主要涉及频率测量技术领域，提供了一种多路比相测量系统及方法，所述系统主要包括用于输出参考频标信号的第一输出模块、用于输出被测频标信号的多个第二输出模块、多个时间间隔计数器、频率分配放大器和数据处理模块。本发明主要基于多台时间间隔计数器的相位差测量功能的比相测量算法，通过测量多台被测频标输出信号与参考频标信号的相位差，数据处理模块根据相位差值计算得到日平均相对频率偏差，并计算得到相对频率偏差、频率漂移率、日频率稳定度等频率特性参数，从而实现了对铯原子、铷原子和石英晶体等频标长期特性的计量，提高了频标校准可靠性和准确性。

Description

一种多路比相测量系统及方法
技术领域
本发明涉及频率测量技术领域，尤其涉及一种多路比相测量系统及方法。
背景技术
时间是国际单位制中七个基本物理量之一，具有毋庸置疑的重要性，而时间频率计量的主要任务之一是要对频率标准的各种特性进行检定，目前通常使用的频率标准是铷原子频率标准，其主要频率性能指标包括长期性能和短期性能，对铷原子频标长期性能测试的常用设备是比相仪，其基本原理是通过时间间隔计数器测量标准频标信号和被测频标信号这两个信号的相位差，从而得到被测频标信号相对标准频标信号的相对频率偏差，可最大限度的延长取样时间，从而实现铷原子频标长期性能的测量。但在实际的比相测试过程中，在360°向0°变化过程中，由于温度变化、串扰等因素，致使时间间隔计数器在测量到180°(即整周期相位)时，出现非正常变化规律的相位差值，即出现“周期模糊”的现象，导致频率标准校准准确度降低。
发明内容
基于上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种多路比相系统，采用邻点阈判算法准确的测量被测信号与标准信号之间的相对频率偏差，解决了现有技术中存在的“周期模糊”的技术问题，提高了频率标准校准准确度。
第一方面，本发明提供了一种多路比相测量系统，所述系统具体包括：
第一输出模块、第二输出模块、时间间隔计数器、频率分配放大器和数据处理模块；
所述第一输出模块输出端与所述频率分配放大器的输入端连接，用于输出参考频标信号，所述频率分配放大器输出N路参考频标信号，其中N-1路所述参考频标信号输出端分别与N-1个时间间隔计数器的第一输入端连接，用于输出被测频标信号的N-1个所述第二输出模块分别与所述N-1个时间间隔计数器的第二输入端连接，所述频率分配放大器输出的另一路所述参考频标信号与所述N-1个时间间隔计数器中的任意一个时间间隔计数器的第三输入端连接，所述N-1个时间间隔计数器的输出端分别与所述数据处理模块的输入端连接，所述时间间隔计数器用于测量所述参考频标信号和所述被测频标信号的相位差，所述数据处理模块用于向所述时间间隔计数器发送相位差测量命令，并接收所述时间间隔计数器发送的所述相位差，以及根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数，其中，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率相等，N为≥2的自然数。
优选的，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率为5MHz或10MHz。
优选的，所述时间间隔计数器为SR620。
优选的，所述SR620的输出端通过GPIB接口与所述数据处理模块的输入端连接。
优选的，所述被测频标信号的特性参数包括相对频率偏差、日频率稳定度、频率漂移率和相关系数，所述数据处理模块具体用于，根据下式(1)计算得到相对频率偏差：
Figure BDA0002455412310000021
其中，ΔT为所述时间间隔计数器在τ时间内测量的累积相位差；
根据所述相对频率偏差和阿伦方差平均根值，利用下式(2)计算得到日频率稳定度σy(τ)，
Figure BDA0002455412310000022
其中，将l天测量的l个日平均相对频率偏差值y(τ)代入上述公式(2)中，再将得到的结果开根，得到日频率稳定度σy(τ)，所述日平均相对频率偏差值y(τ)为每天接收的相位差值数和每天内的完整相位周期数计算得到的，l为正整数，i＝1，2，3······M，M为正整数；
利用最小二乘法对l个所述日平均相对频率偏差值进行曲线拟合，并通过下式(3)计算得到所述曲线的斜率，即频率漂移率k，
Figure BDA0002455412310000031
其中，ti为所述时间间隔计数器的测量时间；
根据下式(4)计算得到相关系数r
Figure BDA0002455412310000032
第二方面，本发明还提供了一种多路比相测量方法，所述方法具体包括：
发送相位差测量指令至时间间隔计数器，以便于所述多个时间间隔计数器响应于所述相位差指令，分别测量的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率相等；
接收所述多个时间间隔计数器发送的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差数据；
根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数。
优选的，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率为5MHz或10MHz。
优选的，所述时间间隔计数器为SR620。
优选的，所述通过GPIB接口接收多个所述SR620发送的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差数据。
所述根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数，具体包括：
被测频标信号的特性参数包括相对频率偏差、日频率稳定度、频率漂移率和相关系数；
根据下式(1)计算得到相对频率偏差：
Figure BDA0002455412310000033
其中，ΔT为所述时间间隔计数器在τ时间内测量的累积相位差；
根据所述相对频率偏差和阿伦方差平均根值，利用下式(2)计算得到日频率稳定度σy(τ)，
Figure BDA0002455412310000041
其中，将l天测量的l个日平均相对频率偏差值y(τ)代入上述公式(2)中，再将得到的结果开根，得到日频率稳定度σy(τ)，所述日平均相对频率偏差值y(τ)为每天接收的相位差值数和每天内的完整相位周期数计算得到的，l为正整数，i＝1，2，3······M，M为正整数；
利用最小二乘法对l个所述日平均相对频率偏差值进行曲线拟合，并通过下式(3)计算得到所述曲线的斜率，即频率漂移率k，
Figure BDA0002455412310000042
其中，ti为所述时间间隔计数器的测量时间；
根据下式(4)计算得到相关系数r
Figure BDA0002455412310000043
有益效果：本发明主要基于多台时间间隔计数器的相位差测量功能的比相测量算法，通过测量多台被测频标输出信号与参考频标信号的相位差，数据处理模块根据相位差值计算得到日平均相对频率偏差，并计算得到相对频率偏差、频率漂移率、日频率稳定度等频率特性参数，从而实现了对铯原子、铷原子和石英晶体等频标长期特性的计量，提高了频率标准校准准确度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种多路比相测量系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种多路比相测量系统的相位变化曲线图；
图3为本发明实施例提供的一种多路比相测量方法的流程示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
下面将结合附图对本申请的实施例进行描述，但并非对本发明的限制。
如图1所示，为本发明实施例提供的一种多路比相测量系统的结构示意图，所述系统具体包括用于输出参考频标信号的第一输出模块、用于输出被测频标信号的第二输出模块、时间间隔计数器、频率分配放大器和数据处理模块，所述第一输出模块输出端与所述频率分配放大器的输入端连接，经过放大，所述频率分配放大器输出N路参考频标信号，N为≥2的自然数，以N＝5为例，如图1所示，其中4路参考频标信号分别接入4个时间间隔计数器的第一输入端A，第五路参考频标信号作为外参考频标信号接入任意一个时间间隔计数器的第三输入端C，而4个时间间隔计数器的第二输入端B分别接入4个被测频标信号。
每一个时间间隔计数器用来测量其对应的参考频标信号和被测频标信号的相位差，时间间隔计数器可以选用由先锋科技(香港)股份有限公司出产的SR620时间间隔与频率计数器，是一种时间频率实验室常用的时间间隔计数器，直接测量频率时最大取样时间为500s。SR620工作时需接入外参考频标信号，即上述第五路参考频标信号作为外参考频标信号接入SR620的第三输入端C。
本发明提供的多路比相测量系统主要用于测量铷原子频标及石英晶体频标的长期性能，为了满足相应的检定规程的要求，参考频标信号和被测频标信号的输出频率相同，可为5MHz或10MHz的频率信号。
所述时间间隔计数器的输出端通过GPIB接口(General-Purpose Interface Bus，GPIB，通用接口总线，是一种设备和计算机连接的总线，大多数台式仪器是通过GPIB线以及GPIB接口与电脑相连)与数据处理模块的输入端连接，数据处理模块向时间间隔计数器发送相位差测量指令，时间间隔计数器接收到该测量指令，开始测量参考频标信号和被测频标信号的相位差值，测量的相位差值数据格式是介于-180°到180°之间的相位差值，并将测量到的相位差值发送给数据处理模块，数据处理模块根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数。
优选的，所述被测频标信号的特性参数包括相对频率偏差、日频率稳定度、频率漂移率和相关系数。则所述数据处理模块具体用于，根据下式(1)计算得到相对频率偏差：
Figure BDA0002455412310000061
其中，ΔT为所述时间间隔计数器在τ时间内测量的累积相位差；
根据比相法测量原理，当两个输入信号之间的频率差为常数时，其相位差随时间的变化呈锯齿形，其斜率与频率差成正比。则在τ时间间隔内两个信号的平均相对频率偏差如图2所示：横坐标表示时间，单位(s)，纵坐标表示相位差值，单位(°)，则根据相对频率偏差计算，在τ时间内，累计的相位差值ΔT为：
ΔT＝LT0+b1+b2
其中，L为τ时间内的完整相位周期数量，τ为一天的时间间隔，T0为所述参考频标信号的输出周期，
Figure BDA0002455412310000071
f0为所述参考频标信号的输出频率，可为5MHz或10MHz，b1和b2分别为起始相位和终止相位；
由于ΔT＝LT0+b1+b2＝(L+p1+p2)*T0
其中，p1为b1占τ时间内的完整频率周期数量的比例，p2为b2占τ时间内的完整频率周期数量的比例；
则相对频率偏差
Figure BDA0002455412310000072
为
Figure BDA0002455412310000073
根据所述相对频率偏差和阿伦方差平均根值，利用下式(2)计算得到日频率稳定度σy(τ)，
Figure BDA0002455412310000074
其中，将l天测量的l个日平均相对频率偏差值y(τ)代入上述公式(2)中，再将得到的结果开根，可得到日频率稳定度σy(τ)，所述日平均相对频率偏差值y(τ)为每天接收的相位差值数和每天内的完整相位周期数计算得到的，l为正整数，i＝1，2，3······M，M为正整数；举例说明，若每10s接收时间间隔计数器发送一个相位差值，则一天可以接收8640个相位差值。判断一天之内完整的相位周期个数，将起始相位值和终止相位值与一天内完整的相位周期个数相加，换算成弧度后除以一天的时间(86400s)，得到日平均相对频率偏差值。
利用最小二乘法对l个所述日平均相对频率偏差值进行曲线拟合，并通过下式(3)计算得到所述曲线的斜率，即频率漂移率k，
Figure BDA0002455412310000075
其中，ti为所述时间间隔计数器的测量时间；
根据下式(4)计算得到相关系数r
Figure BDA0002455412310000081
在另一可行的实施例中，以铯频标为例进行说明，将5MHz的铯频标信号作为参考频标信号和被测频标信号，调整相位微跃器使参考频标信号和被测频标信号的相位差为0°，假设参考频标信号的频率准确度为5×10-14，且为均匀分布，取频率漂移率
Figure BDA0002455412310000082
则参考频标引入的标准不确定度分量为
Figure BDA0002455412310000083
根据时间和频率的关系以及相对频率偏差计算公式(1)可知，相位时间差Δx(t,τ)＝x(t+τ)-x(t)，则相位时间差与相对频率偏差之间存在以下关系：
Figure BDA0002455412310000084
则测量误差为
Figure BDA0002455412310000085
则，根据时间间隔计数器SR620的性能指标手册，其相位测量范围为±180°，则最大允许误差＜1ns，于是根据比相测量原理，取样时间τ＝1d＝86400s时，最大允许误差为1ns/86400s＝1.2×10-14，假设为均匀分布，取频率漂移率
Figure BDA0002455412310000086
则时间间隔计数器引入的标准不确定度分量为
Figure BDA0002455412310000087
根据实际测量结果，系统的相位漂移为0.8ns，假设为均匀分布，取频率漂移率
Figure BDA0002455412310000088
取样时间τ＝1d＝86400s时，则相位漂移引入的标准不确定度分量为
Figure BDA0002455412310000089
根据上述计算得到的参考频标引入的标准不确定度分量u1、时间间隔计数器引入的标准不确定度分量u2以及相位漂移引入的标准不确定度分量u3，并根据下式(5)合成标准不确定度uc
Figure BDA0002455412310000091
当频率漂移率k＝2时，则扩展不确定度U为
U＝kuc＝2×3.1×10-14＝6.2×10-14
利用时间间隔计数器SR620，采用相位差测量方案，建立了多路比相测量系统，可实现对铯原子频率标准、铷原子频率标准和石英晶体频率标准长期性能的测量。经不确定分析结果表明，总体合成标准不确度为3.1×10-14(k＝2)，投入到实际的检测应用中可直接实现频率量值的传递，保证了频率量值的准确一致，产生社会和经济效益，提高了频率标准校准准确度。
本发明实施例还提供了一种多路比相测量方法，如图3所示，具体包括如下步骤：
S1，发送相位差测量指令至时间间隔计数器，以便于所述多个时间间隔计数器响应于所述相位差指令，分别测量的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率相等；
S2，接收所述多个时间间隔计数器发送的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差数据；
S3，根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数。
优选的，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率为5MHz或10MHz。
优选的，所述时间间隔计数器为SR620。
优选的，所述通过GPIB接口接收多个所述SR620发送的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差数据。
所述根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数，具体包括：
被测频标信号的特性参数包括相对频率偏差、日频率稳定度、频率漂移率和相关系数；
根据下式(1)计算得到相对频率偏差：
Figure BDA0002455412310000092
其中，ΔT为所述时间间隔计数器在τ时间内测量的累积相位差；
根据所述相对频率偏差和阿伦方差平均根值，利用下式(2)计算得到日频率稳定度σy(τ)，
Figure BDA0002455412310000101
其中，将l天测量的l个日平均相对频率偏差值y(τ)代入上述公式(2)中，再将得到的结果开根，得到日频率稳定度σy(τ)，所述日平均相对频率偏差值y(τ)为每天接收的相位差值数和每天内的完整相位周期数计算得到的，l为正整数，i＝1，2，3······M，M为正整数；
利用最小二乘法对l个所述日平均相对频率偏差值进行曲线拟合，并通过下式(3)计算得到所述曲线的斜率，即频率漂移率k，
Figure BDA0002455412310000102
其中，ti为所述时间间隔计数器的测量时间；
根据下式(4)计算得到相关系数r
Figure BDA0002455412310000103
本发明实施例中一种多路比相测量方法是对应上述实施例中一种多路比相测量系统，由于上述实施例中已经对一种多路比相测量系统的功能进行了详细的说明，故在此针对一种多路比相测量方法的各个步骤的实施方式不再赘述。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种多路比相测量系统，其特征在于，所述系统具体包括：
第一输出模块、第二输出模块、时间间隔计数器、频率分配放大器和数据处理模块；
所述第一输出模块输出端与所述频率分配放大器的输入端连接，用于输出参考频标信号，所述频率分配放大器输出N路参考频标信号，其中N-1路所述参考频标信号输出端分别与N-1个时间间隔计数器的第一输入端(A)连接，用于输出被测频标信号的N-1个所述第二输出模块分别与所述N-1个时间间隔计数器的第二输入端(B)连接，所述频率分配放大器输出的另一路所述参考频标信号与所述N-1个时间间隔计数器中的任意一个时间间隔计数器的第三输入端(C)连接，所述N-1个时间间隔计数器的输出端分别与所述数据处理模块的输入端连接，所述时间间隔计数器用于测量所述参考频标信号和所述被测频标信号的相位差，所述数据处理模块用于向所述时间间隔计数器发送相位差测量命令，并接收所述时间间隔计数器发送的所述相位差，以及根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数，其中，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率相等，N为≥2的自然数；
根据参考频标引入的标准不确定度分量、时间间隔计数器引入的标准不确定度分量以及相位漂移引入的标准不确定度分量，合成标准不确定度，以保证频率量值的准确一致；
其中，所述被测频标信号的特性参数包括相对频率偏差、日频率稳定度、频率漂移率和相关系数，所述数据处理模块具体用于，根据下式(1)计算得到相对频率偏差：
Figure FDA0003312978950000011
其中，ΔT为所述时间间隔计数器在τ时间内测量的累积相位差；
根据所述相对频率偏差和阿伦方差平均根值，利用下式(2)计算得到日频率稳定度σy(τ)，
Figure FDA0003312978950000012
其中，将l天测量的l个日平均相对频率偏差值y(τ)代入上述公式(2)中，再将得到的结果开根，得到日频率稳定度σy(τ)，所述日平均相对频率偏差值y(τ)为每天接收的相位差值数和每天内的完整相位周期数计算得到的，l为正整数，i＝1，2，3······M，M为正整数；
利用最小二乘法对l个所述日平均相对频率偏差值进行曲线拟合，并通过下式(3)计算得到所述曲线的斜率，即频率漂移率k，
Figure FDA0003312978950000021
其中，ti为所述时间间隔计数器的测量时间；
根据下式(4)计算得到相关系数r
Figure FDA0003312978950000022
2.根据权利要求1所述的多路比相测量系统，其特征在于，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率为5MHz或10MHz。
3.根据权利要求1所述的多路比相测量系统，其特征在于，所述时间间隔计数器为SR620。
4.根据权利要求3所述的多路比相测量系统，其特征在于，所述SR620的输出端通过GPIB接口与所述数据处理模块的输入端连接。
5.一种多路比相测量方法，其特征在于，所述方法包括：
发送相位差测量指令至时间间隔计数器，以便于多个时间间隔计数器响应于相位差指令，分别测量的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率相等；
接收所述多个时间间隔计数器发送的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差数据；
根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数，具体包括：
所述根据所述相位差计算得到所述被测频标信号的特性参数，具体包括：
被测频标信号的特性参数包括相对频率偏差、日频率稳定度、频率漂移率和相关系数；
根据下式(1)计算得到相对频率偏差：
Figure FDA0003312978950000023
其中，ΔT为所述时间间隔计数器在τ时间内测量的累积相位差；
根据所述相对频率偏差和阿伦方差平均根值，利用下式(2)计算得到日频率稳定度σy(τ)，
Figure FDA0003312978950000031
其中，将l天测量的l个日平均相对频率偏差值y(τ)代入上述公式(2)中，再将得到的结果开根，得到日频率稳定度σy(τ)，所述日平均相对频率偏差值y(τ)为每天接收的相位差值数和每天内的完整相位周期数计算得到的，l为正整数，i＝1，2，3······M，M为正整数；
利用最小二乘法对l个所述日平均相对频率偏差值进行曲线拟合，并通过下式(3)计算得到所述曲线的斜率，即频率漂移率k，
Figure FDA0003312978950000032
其中，ti为所述时间间隔计数器的测量时间；
根据下式(4)计算得到相关系数r
Figure FDA0003312978950000033
根据参考频标引入的标准不确定度分量、时间间隔计数器引入的标准不确定度分量以及相位漂移引入的标准不确定度分量，合成标准不确定度，以保证频率量值的准确一致。
6.根据权利要求5所述的多路比相测量方法，其特征在于，所述参考频标信号和所述被测频标信号的输出频率为5MHz或10MHz。
7.根据权利要求5所述的多路比相测量方法，其特征在于，所述时间间隔计数器为SR620。
8.根据权利要求7所述的多路比相测量方法，其特征在于，所述通过GPIB接口接收多个所述SR620发送的多个被测频标信号和参考频标信号的相位差数据。
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