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摘要 摘要 随着科学技术的发展，高精度时间和频率的标准及其测量在国民经济发展中 的地位日益重要。为了使用、测量、比对、输送和应用标准的时间和频率，必须 经过一个很重要的环节，这就是标准信号的传递。近年来，随着国防和空间技术 的发展，对高精度时间和频率信号的测量与传递提出了更高的要求。 本文对时间和频率信号在传递过程中的关键特性进行了揭示，并在测量过程 中挖掘其稳定传输的潜在作用为研制新一代的高精度测量仪器服务。信号在无线 或有线环境中稳定的传输是本领域发展的关键和基础，在传输过程中的任何异常 对时间与频率精确测量的影响是至关重要的，所以在信号传输过程中，对传输速 度异常现象的研究是很有价值的。这里，对国际上很关注的超光速的实验问题在 电领域进行了大量和深入的实验研究。这些工作有的是目前本领域的研究热点， 有的则对本领域的长远发展是很重要的。从时频技术的发展来看，对这些相互密 切相关的主题的全面探讨是很必要的。 在传统的g p s 共视法数据处理基础上，提出用基于正交小波的多尺度卡尔曼 ( k a l m a n ) 滤波器来处理被噪声淹没的钟差数据。通过进一步研究g p s 共视观测 数据特性，运用基于小波系数相关性的多尺度卡尔曼滤波算法来处理g p s 共视观 测数据。通过引用相关性，使得尺度内和尺度问的依赖性信息可以更好地被用来 提高信号处理的能力，这种优越性更多地体现在对多通道数据处理的过程中，此 种算法可应用于任何具有l f 分形特性的时间序列的数据估计和信号处理中。从而 为时间序列的数据估计提供了一种新的思路和方法。 提出基于时间与空间的关系( 即延时线长度与电磁波信号在其中传播所需经 历的时间之间的稳定性关系) 进行短时间间隔与频率的新的测量原理和方法，纳 秒到1 0 皮秒的测量分辨率很容易实现；同时由于基于时空关系的时间间隔测量原 理的结构简单，其分辨率受传输线长度所能达到最小的尺度限制，及当分段很精 细时，由于电路本身的原因，更高的测量精度很难进一步达到，所以进一步提出 用长度游标法与时空关系相结合的新的时间间隔与频率测量原理。 对传输线在特定结构下会产生群速超光速传播的特点给予了深入研究，以大 量的实验数据说明延迟线在特定结构下会产生不稳定性传输，传输速度具有非线 性的特性。 关键词：g p s 共视多尺度卡尔曼滤波器组时空关系长度游标群速超光速 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , t h es t a n d a r d so ft i m ea n d f r e q u e n c yw i t hh i g hp r e c i s i o na r ep l a y i n gi m p o r t a n tr o l e si nm a n yf i e l d s i no r d e rt o u t i l i z e , m e a s u r e , c o m p a r e , t r a n s p o r ta n da p p l yt h et i m ea n df r e q u e n c ys t a n d a r d , t h e t r a n s f e ro f t h es i g n a lb e c o m e sa l ln e c e s s a r yt a c h e i nr e c e n ty e a r s , t h en a t i o n a ld e f e n s e a n dt h es p a c et e c h n o l o g yp u tf o r w a r dt h ed e m a n dw i t hm u c hh i g h e rp r e c i s i o n0 nt i m e a n df r e q u e n c ym e a s u r e m e n ta n dt r a n s m i s s i o n i nt h ep a p e r , t h ek e yc h a r a c t e r i s t i c so ft h et r a n s f e ro ft i m ea n df r e q u e n c ys i g n a l s a r ed i s c l o s e d , a n dt h el a t e n c ye f f e c to ft h es t a b i l i z a t i o nt r a n s f e ro nm e a s u r e m e n th a s b e e ne x t r a c t e df o r t h ed e v e l o p m e n to fn e wm e a s u r e m e n ti n s t m m e n tw i t hm u c hh i g h e r p r e c i s i o n t h es t a b i l i z a t i o nt r a n s f e ri nw i r e l e s sc i r c u m s t a n c e so rt h el i n e si st h ek e yt o t h ed e v e l o p m e n ti no u rf i e l d t h ee f f e c to fa n ya b n o r m a l p h e n o m e n o ni nt h e t r a n s m i s s i o no nt h eh i g hp r e c i s i o nm e a s u r e m e n to ft i m ea n d f r e q u e n c yi sv e r y i m p o r t a n t t h e r e f o r e ，i ti sv a l u a b l et os t u d yt h i sa b n o r m a ls i t u a t i o no ft r a n s f e rs p e e d ， h e r e , s o m el a r g es c a l ea n dp r o f o u n de x p e r i m e n t so ns u p e r l u m i n a lv e l o c i t yw h i c hh a v e a r o u s e dm o r ea t t e n t i o ni na l l - o f t h ew o r l dh a v eb e e ni m p l e m e n t e d s o m eo f t h es t u d i e s a r et h eh o t s p o t si no u rf i e l d ；t h eo t h e r sw i l lp l a yap r o f o u n da n d l a s t i n gr o l ei nt h ef i e l d a st ot h ed e v e l o p m e n to f t h et e c h n o l o g yo f t i m ea n df r e q u e n c y , i ti sn e c e s s a r yt os t u d y o v e r - a l lo nt h e s es u b j e c t sw i t ht i g h t l yc l o s e dr e l a t i o n s h i p an e wm e t h o do fd e s i g no ng p sc o m m o n - v i e wo b s e r v a t i o nd a t ai sp r e s e n t e d a f i l t e rb a n kd e s i g nb a s e do no r t h o n o r m a lw a v e l e t sa n de q u i p p e dw i t ham u l t i s c a l e k a l m a nf i l t e rf i o mt h ep o i n to fv i e wo fs t a t es p a c em o d e li su s e di nt h eg p s c o m m o n - v i e wo b s e r v a t i o nd a t ar e s t o r a t i o nc o r r u p t e db ye x t e r n a ln o i s e b yt h ef u r t h e r s t u d yo nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e m , t h eg p sc o m m o n - v i e wo b s e r v a t i o nd a t aa r e p r o c e s s e du s i n gt h em u l t i s c a l ek a l m a nf i l t e r sa l g o r i t h mb a s e d0 n ac o r r e l a t i v es t r t l c t t a e o ft h ed i s c r e t ew a v e l e tc o e f f i c i e n t s b yu s i n gc o r r e l a t i o n , t h ed e p e n d e n c yi n f o r m a t i o n b e t w e e ns c a l e sa n dw i t h i ns c a l ec o u l db em a d eb e t t e ru s eo f t oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c e o fp r o c e s s i n gs i g n a l s t h es u p e r i o r i t yh a sb e e nm o r ei n c a r n a t e di nt h ep r o c e s so f m u l t i - c h a n n e ld a t ap r o c e s s i n g t h ea l g o r i t h mc a l lb eu s e di na n yd a t ae s t i m a t i o na n d s i g n a lp r o c e s s i n go ft i m es e r i e sw i t h 、1jf r a c t a lc h a r a c t e r i s t i c s o , i tg i v e su san e w i d e aa n dm e t h o df o re s t i m a t i n gt h et i m es e r i e sd a t a an e wa p p r o a c ho ft i m ei n t e r v a la n df r e q u e n c ym e a s u r e m e n ti sp r o p o s e d ，w h i c h c a i lb eu s e dt om e a s u r es h o r tt i m ei n t e r v a lb yd e t e c t i n gt h ep h a s ec o i n c i d e n c ep o i n t 堕丝丝翌堡竺墨堕里垦皇塑堡堡塑鎏壁墨堂翌墨竺塞 b e t w e e nt h es i g n a la n di t st r a n s f e rd e l a yw i t hr e l a t e dl e n g t ht h ep r e c i s i o nf r o mn st o l o p sc a r lb ee a s ya c q u i r e d o r d i n a r yt i m ei n t e r v a lm e a s u r e m e n tm e t h o db a s e do n t i m e - s p a c er e l a t i o np r o c e s s i n gc a ns h o was i m p l es t r u c t u r e , b u ti t sr e s o l u t i o ni sl i m i t e d b yt h es c a l eu n i to ft h el e n g t h a n dw h e nt h eu n i ti sf i n e r , t h eh i g hm e a s u r e m e n t a c c u r a c yi sh a r d e rt og e t i nt h i sc a s el e n g t hv e r n i e rc a nb eu s e dt oi m p r o v et h ed e s i g n a p r o f o u n ds t u d yi sg i v e nt h a tt h es u p e r l u m i n a lg r o u pv e l o c i t yw i l lb ec r e a t e di n t h et r a n s m i s s i o nl i n e sw i t hs p e c i a ls t r u c t u r e t h el a r g e - s c a l ee x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e u n s t a b l et r a n s f e rw i l lb eg e n e r a t e di nt h et r a n s m i s s i o nl i n e sw i t hs p e c i a ls t r u c t u r e , a n d t h et r a n s f e rv e l o c i t yi sn o n l i n e a r k e y w o r d ：g p sc o m m o n - v i e wm u l t i s c a l ek a l m a nf i l t e r s t i m e - s p a c e r e l a t i o n s h i pl e n g t hv e r n i e rs u p e r l u m i n a lg r o u pv e l o c i t y 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或其 它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名 同期 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本 人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电 子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段 保存论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期： 日期： 第一章绪论 第一章绪论 随着科学技术的发展，高精度时间和频率的标准及其测量在国民经济发展中 的地位日益重要。为了使用、测量，比对，输送和应用标准的时问和频率，必须 经过一个很重要的环节，这就是标准信号的传递。近年来，随着国防和空间技术 的发展，对高精度时间和频率信号的测量与传递提出了更高的要求。 本文对时间和频率信号在传递过程中的关键特性进行了揭示，并在测量过程 中挖掘其稳定传输的潜在作用为研制新一代的高精度测量仪器服务。信号在无线 或有线环境中稳定的传输是本领域发展的关键和基础，在传输过程中的任何异常 对时间与频率精确测量的影响是至关重要的，所以对信号传输过程中，传输速度 的异常现象的研究是很有价值的。对国际上很关注的超光速的实验问题在电领域 进行了大量和深入的实验研究。这些工作有的是目前本领域的研究热点，有的则 对本领域的长远发展是很重要的。从时频技术的发展来看，对这些相互密切相关 的主题的全面探讨是很必要的。 1 1 时间、空问、频率与测量概述 在所有的物理量中，时间和频率具有最高的精度和稳定度，所以对标准的建 立和准确测量就具有十分显著的意义和影响。任何一种物质都是在一定的时间和 空间里完成其变化、运动和发展过程的。 也越来越多地依靠对时间的测量和处理。 时间问隔内所经历路径长度而定义的“1 。 随着科技的发展，对于空问问题的处理 长度单位米就是根据光在真空中一定的 频率和时间是一对密切相关的物理量，它们是用来描述周期性运动现象的两 个不同的侧面，在数学上互为倒数关系。所以，时间和频率共用一个基准。只是 在具体应用中采用时问或频率来表示。 历史上曾经在天文观察的基础上采用时i 日j 基准，而现在更多的是使用频率基 标准器。频率基标准器的精度一直在提高，几乎每十年左右提高一个数量级。目 前作为频率基准的实验室型的铯原子频率基准的准确度已经达到1 0 1 5 ，有研究预 言，未来的光学频标”的准确度可以达到1 0 1 8 。为了更好和更广泛的发挥这些频标 的作用，高精度测量、检测和时问传递技术也必须同步的发展。 光和电磁波信号在真空、空气或者特定介质中高度准确和稳定的传输速度在 计量学中被作为一个自然常数，传输环节的高稳定性确保了高精度的频标信号能 够被测量和应用。从时一空关系考虑，利用时频信号传输的时自j 与空间关系来处理 时间间隔的测量问题，一方面利用相应器件的稳定性能够相对比较容易地得到更 2皮秒级时频处理原理及电领域传输速度异常现象研究 高的测量精度；另一方面通过特别短的时间间隔与易处理的长度量之间的对应关 系也可以实现对于特别短的时间间隔的测量，这也反映了其高速度的可能性。精 密时频测量的关键已经转化为对于微细时i 日j 间隔和频率量的测量。因为长的时间 间隔常常被分解为与填充时钟信号同步的较长时阳j 间隔以及门时开启和关闭时与 填充时钟信号不同步的微细时间间隔。这个微细时问间隔常常变化在1 0 0 纳秒到 皮秒的范围，从频率稳定度方面考虑，要求时频测量的分辨率应优于l 皮秒。对 于这么短的时间信号的测量和处理常常受到器件的速度、噪声等因素的影响，大 大限制了测量的精度。 时间信号的测量包括非周期性时间信号和周期性时间信号的测量。前者常常 被用于各种时频信号测量中作为提高分辨率的手段，后者则类似于相位差的测量。 宽频率范围内的任意频率信号的测量可以覆盖远远大于1 s 的周期性的时间信号直 到光频范围。目前，多种提高测量分辨率的技术，如模拟内插法、游标法、时间一 电压转换法等能够得到纳秒到1 0 皮秒的分辨率。 为进一步提高任意时间间隔和频率的测量范围及测量分辨率，提出以信号的 时一空关系通过对被测时间信号与其在长度上传输延迟的重合检测来测量短时日j 间隔的新的测量原理。这种利用信号传递速度的稳定、准确这一自然现象所保证 的高精度比国内外传统的基于频率处理的方法精度更高，价格也更有优势。而且 还能够解决特高频率的测量问题。以此为基础可完成各种时间间隔与频率测量仪 器，可比较容易的获得纳秒至皮秒量级的分辨率。 1 2g p s 共视法技术的现状与动态” a l l a n 在1 9 8 0 年国际频控年会上，首次提出了g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n g s y s t e m ) 共视法时间传递的原理。从1 9 8 5 年g p s 共视j 下式被用于远距离时间比对， 参加国际原子时( 1 ) 计算。2 0 世纪9 0 年代初，g p s 共视开始得到广泛应用。 1 9 9 4 年，a l l a n 代表g p s 时问传递标准组( g g f p s ) ，在m e t r o l o g i a 上发表了“g p s 定时接收机软件标准化技术指南“，统一了共视接收机软件的处理过程和单站观 测文件的格式，以进一步提高共视比对精度。 从1 9 9 5 年开始，国际权度局( b i p m ) 时间部计算t a i 时，依靠各时问实验 室的单频单通道g p s 共视接收机每天4 8 次跟踪卫星，把全球5 0 个时间实验室2 0 0 多台原子钟的观测资料，通过共视比对，统一归算成国际标准时u t c - u t c ( k ) 。( 其 中，k 指各时间实验室) 。 近年来，g p sc a 码多通道测量、g l o n a s s ( g l o b a ln a v i g a t i o ns a t e l l i t e s y s t e m ) p 码共视、以及g p s + g l o n a s s 全视相继出现。多通道共视，以1 9 9 7 年 1 0 月1 日的共视表为参照，每天比前一天提前4 分钟进行观测，这样，便可以和 第一章绪论3 单通道共视保持兼容( 即：可以从多通道数据中提取出符合共视表的单通道数据) 。 多通道共视，不仅使得共视比对连续进行，而且增大了观测数据量，提高了比对 精度。 g l o n a s sp 码共视，比对精度更高。这主要是因为：首先，g l o n a s sp 码 的波长相当于g p sc a 码的1 5 ，因此具有更好的伪距测量精度；其次，g l o n a s s p 码调制在两个波段上，可以用双频进行实际测量电离层附加时延。 使用g p s + g l o n a s s 全视接收机，进行共视比对，精度更高。但由于g p s 和g l o n a s s 在时问系统等方面有很大差异，对统一处理两个卫星的观测资料带 来了很多困难。因此，目前虽然有很多全视接收机参与国际共视比对，但g l o n a s s 的观测尚没有被用来进行t a i 计算。但随着g l o n a s s 系统的不断发展，加入t a i 计算是未来的趋势。可以预测，在近年内，多通道g p s 共视比对、g p s + g l o n a s s 全视比对，其精度将向亚纳秒量级迈进，并在一天以上的长期稳定度方面发挥主 要作用。( 而卫星双向法时间传递( t w s t f ) 技术和g p s 载波相位技术，将在中期稳 定度方面起主要作用) g p s 共视已经从8 0 年代初的单通道共视，发展到g p s 多通道共视，g l o n a s s p 码共视，以及g p s + g l o n a s s 全视。如图1 1 9 所示给出了g p s 共视技术的精度 与其它现代高精度时间同步手段的精度比较。 、 亡 s 图1 1 各种时间传递方法比较 1 3 超光速研究的发展与现状m 2 1 1 9 0 5 年，爱因斯坦( e i n s t e i n ) 提出的狭义相对论是最重要的自然科学理论之一， 4 皮秒级时频处理原理及电领域传输速度异常现象研究 相对性原理和光速不变一起，构成了狭义相对论( s r ) 的基础。在科学界有着巨 大而深远的影响。但是从二十世纪中期以来，在天文和微观的实验中都发现了一 些现象，光速不变原理的经典解释遇到困难，因此，多年来有关超光速的研究在 科学界不断进行着。 最早的报告来自对微观粒子的观测。长期以来，人们认为介子( m e s o n s ) 的 运动速度小于光速。1 9 5 5 年，o c h a m b e r l a i n 等对万介子的测量表明，它在3 8 1 0 - 8 s 时问内飞行了4 0 f t ( 约1 2 2 m ) 距离，故其速度为3 2 08 4 2 1 0 5 1 2 m s ，即v = 1 0 7 c 。 故认为石介予的飞行速度是超光速的；但以后没有对此再研究下去。 2 0 世纪6 0 年代以来的超光速研究，即早期开展的工作，是寻找“快子”及 观测类星体。“快子”一词的英文是t a c h y o n s ，是美国c o i o u m b i a 大学教授g e r a l d f e i n b e r g 于1 9 6 7 年提出来的；快子以超光速运动，其速度v c 。1 9 6 0 年之后， 一些物理学家认定：e i n s t e i n 的“速度极限”( s p e e dl i m i t ) 不能用在“已经以超光 速运动的粒子”身上，这种粒子就是快子。为了不与s r 理论相矛盾，f e i n b e r g 假 定快子的静止质量为虚数( _ ，l 。一加，；一1 ) 。然而，人们一直无法说明“虚数质 量”的意义，实验上也找不到证据。后来，即在1 9 8 6 年2 0 0 0 年间，对中微子 ( n e u t r i n o s ) 的测量表明可能其卅。2c0 ，故一些物理学家认为中微子是快子，以超 光速运行。但迄今为止尚不清楚中微子的运动速度究竟是怎样的；而且，对其 朋。2c 0 可能为负数也有其他不同的解释。 快子有一些古怪的特性。例如，它损失能量时将加速，故能量为零时的速度 是无限大。实际上，只有无限大能量才能使快子减速到c 。无限大能量是不可能达 到的，故快子不能以c ( 以及小于c ) 的速度运动。快子仿佛存在于相对于亚光速粒 子来讲是镜象的世界。当它穿过真空空间，会产生称为c e r e n k o v 辐射的光锥。尽 管快子尚未找到，然而最早是为了避开狭义相对论困难而提出的快子，却出现在 各种物理理论中。 与此同时，科学家们把目光投向宇宙深空。2 0 世纪7 0 年代，在射电天文观 测中通过甚长基线干涉仪( v l b i ) 技术发现了数十个河外射电源有超光速膨胀现 象。在遥远的宇宙深空，类星体( q u a s r s ) 是具有活动星系核的类星系，是很密 的物质。对3 c 2 7 3 类星体的观测，1 9 7 1 、1 9 7 7 年m h c o h e n 报告了3 c 、4 2 c 的 分离速度；1 9 7 9 年g a s e i e ls t e d 报告了5 2 c 的分离速度，而1 9 8 1 年t j p e a rs o n 报告了9 6 c 的分离速度。问题是对这种“天体运动中的超光速”应当怎么看? 有 人从狭义相对论出发认为这只是“表观超光速”，即一种视现象。然而，长期积累 的观测数据表明这类膨胀在加速，并且似乎与e i n s t e i n 引力理论中的类空运动呈 现的规律非常相似。就是晚，虽然狭义相对论否定超光速运动的可能，但广义相 对论的宇宙论的类空测地线规律又与宇宙星体超光速运动的规律相符! 超光速研究的中期大约从1 9 9 2 年开始，特点是发现光子、微波、光脉冲和电 第一章绪论 5 脉冲的传输速度可以超光速。一个著名的实验是在1 9 9 3 年发表的，美国b e r k e l e y 加州大学的a m s t e i n b e r g ，p gk w a i t 和r c h i a o ( 乔瑞雨) 测量了光子穿过厚 1 1 肛m 的位( 势) 垒时的时延，并在一种称为“双光子赛跑”的实验安排中证明光 子的隧穿速度为n 。7 0 1 2 ) c 0 1 。 电磁波是非实体物质。对自由空间中的波、无线电波脉冲、微波脉冲、光脉 冲的传输速度的实验研究，是在1 9 9 2 年及以后的1 0 年中展开的。德国科隆大学 的g n i m t z “”等用微波脉冲通过截止波导，获得了4 7 e ( 1 9 9 2 年) 和4 3 4 c ( 1 9 9 7 年) 的数据。a r a n f a g n i 等用双角锥喇叭进行微波实验，1 9 9 6 年获得了自由空间的波 速为2 c “”。2 0 0 0 年，d m u g n a i 等用改进的喇叭天线法得到一个结果是1 0 5 3 d 1 2 】。 在无线电波频率上的脉冲传输也获得了超光速2 0 0 2 年ah a c h e 和lp o i d e r 用模拟光子晶体的同轴结构获得了群速v g = ( 2 3 5 ) c “。用类似方法， j n m u n d a y 和w m r o b e a s o n 获得v g = 4 c ( 2 0 0 2 年) “；黄志洵和逯贵祯获得= ( 1 5 2 4 ) e ( 2 0 0 3 年) “”。 超光速研究的后期大约从2 0 0 0 年开始当年旅美的中国青年物理学家王力军 “”在n a t u r e 杂志上发表的一篇论文引起了相当大的反响，该文的题目是“增益辅 助的超光速传播”。它描绘了王力军小组设计并实施的实验，特点是使用反常色散 状态并获得负群速。虽然在2 0 世纪初就有一些著名物理学家( 如ae i n s t e i n ，九 s o m m e r f e l d ，l b r i l l o u i n ) 讨论过“负速度”，但这一概念的实验实现却是2 0 世纪 末到2 1 世纪初才真正成功。实验用铯原子气体在光频实现了负群速：v g = c 3 1 0 ； 这时，光脉冲在尚未进入气室时就离开了气室；这一现象引起了许多争论。 王力军小组开创的光脉冲超光速实验引起了广泛的兴趣。必须指出，理论和 实验都表明，实现负群速比实现超光速群速要求更强的反常色散，即折射率n 随 频事，的变化关系要更陡峭( 即要求更大的砌倒。受王力军实验的激励，在全世 界有多个研究组进行了类似的量子光学实验：例如，美国m d s t e n n e r 等实现了唯= c 1 9 6 ( 2 0 0 3 年) ”；北京大学的陈徐宗、肖峰等实现了v 。= 一c 16 6 7 - c 3 0 0 0 ( 2 0 0 4 年) “o ；等等。在频率较低的无线电波段，m u n d a y 和r o b e r t s o n 用电 脉冲进行实验，曾获得v g = 1 2 c ( 2 0 0 2 年) “”。上述情况表明，用无源系统或增 益系统都能产生超光速群速乃至负群速，但用增益系统时可实现失真非常小的信 号传送。 近期超光速研究的一个特点是展开了对各种物理作用的速度的探索。其中， 近年来，研究较多的是引力作用速度，并扩展到量子纠缠态的作用速度。 1 4 论文的主要研究成果及内容安排 6 皮秒级时频处理原理及电领域传输速度异常现象研究 1 4 1 论文的主要研究成果及创新 ( 1 ) 在传统的g p s 共视法数据处理基础上，提出用基于正交小波的多尺度 卡尔曼f k a l m a n ) 滤波器来处理含噪声的钟差数据。根据小波分析的基本原理，对 共视数据进行多分辨分析，对分解后的小波变换系数的高频项系数分别进行卡尔 曼滤波。滤波后的小波系数与低频项系数进行重构，就获得所需的滤除噪声的钟 差数据。这种方法优于传统的基于单纯卡尔曼滤波器的共视数据处理算法。对相 距2 0 0 0 多公里的中国科学院国家授时中心( r s c ) 与日本通信综合研究所( c r l ) 的共视观测资料进行处理，并把它与传统的卡尔曼滤波结果相比较，在设置相同 的滤波器参数情况下，用多尺度卡尔曼算法比传统的卡尔曼算法改进了2 1 9 n s 。 ( 2 ) 通过进一步研究g p s 共视观测数据特性，运用基于小波系数相关性的 多尺度卡尔曼滤波器算法来处理g p s 共视观测数据。在假设g p s 共视钟差数据 具有1 ，分形特性的条件下，用基于小波变换的算法估计g p s 钟差数据的自相似 参数h ，当0 h i 时，g p s 共视钟差数据是一个具有1 ，分形特性的高斯，零均 值非静态随机过程。在此条件下，在多尺度卡尔曼滤波器参数估计过程中讨论小 波系数列的相关性。并在考虑相关性的基础上进行钟差数据的估计。分别对单通 道和多通道共视数据进行处理，并与b i p m t 公报钟差数据进行了比对。 通过引用相关性，使得尺度内和尺度间的依赖性信息可以更好地被用来提高 信号处理的能力，这种优越性更多地体现在对多通道数据处理的过程中，此种算 法可应用于任何具有1 ，分形特性的时问序列的数据估计和信号处理中。从而为 时间序列的数据估计提供了一种新的思路和方法。 ( 3 ) 光和电磁波信号在真空、空气或者特定介质中高度准确和稳定的传输 速度在计量学中被作为一个自然常数，传输环节的高稳定性确保了高精度的频标 信号能够被测量和应用。所以，利用稳定的传输也是构成测量仪器的基础。从时 一空关系这一点考虑，利用时频信号传输的时一空关系来处理时间问隔的测量问 题，一方面利用相应器件的稳定性能够相对比较容易地得到更高的测量精度；另 一方面通过特别短的时间间隔与好处理的长度量之间的对应关系也可以实现对 于特别短的时间间隔的测量，提出以信号的时一空关系通过对被测时问信号与其 在长度上传输延迟( 即以延时线为延时单元，延时时间对应延时线的长度) 的重 合检测来测量短时问间隔的新的测量原理。( 注：此原理在本领域属于原创性研究 成果，已经申请了发明专利。) ( 4 ) 基于时空关系的时间间隔测量方法的分辨率受传输线长度所能达到最 小的尺度限制，及当分段很精细时，由于电路本身的原因，更高的测量精度很难 进一步达到。根据前面所述的实验及测试结果，随着分段和采样点的增多，信号 间的串扰及衰减迅速增加，会对测量有很大影响。所以这里提出用长度游标法与 第一章绪论 7 时空关系相结合的时间与频率测量方法。从理论上讲，任意的延迟时间差都可以 通过长度游标的方法获得，而且这种时间差是基于延迟线的长度而定的，所以在 工程实际上也能够获得更高的精度。( 注：此原理与( 3 1 中所列同属原创性研究成果 与( 3 1 中方法同时申请了发明专利。) ( 5 ) 本文对电信号在阻抗周期失配的类光子晶体结构中的群速超光速传播 问题进行了深入研究。构建了一种具有周期失配性的结构测量电信号的群速传播 情况，此种阻抗失配引起非正常色散以及在8 m h z 附近出现禁带。正弦调制信号 和窄脉冲信号分别被送入两种超光速实验装置，结果正弦调制信号在禁带出现群 速超光速，群速最大可达到3 5 2 倍的光速。而窄脉冲信号始终以正常速度传播。 当改变调制信号时，随着调制信号幅度的增加，调幅信号在禁带群速无限增大甚 至出现负值( 最大速度达到3 8 9 c ) ；给调制信号的峰值在5 分频处加载时标信号 后去调幅载波，这种混合的调幅波的群速被测出仍然超光速，但此实验不能说明 时标信号是否以超光速传播；通过适度的改变传输线的长度，及传输线的环境温 度进行实验，同样出现群速超光速现象。当传输线的环境温度发生变化时，群速 超光速效应的禁带特性会发生波动性变化。 从上述群速超光速的速度特征试验情况来看，群速超光速的速度和光或者电 信号在空间以及传输导线中固定、稳定的传输速度特点是完全不一样的。从群速 超光速现象产生的原因来看，这似乎是起源于传输线路或者传输介质的异常状 况，正如所采用的周期失配结构的传输线群。因此，就难以保证具有象自然常数 那样非常恒定的速度特点，群速超光速突出表现为非线性特性。 1 4 2 论文的组织安排 论文以提出新的数据处理方法或新的测量原理为基本，并以大量的实验进行 验证分析。 具体安排如下： 第一章主要是对时自j 、空间、频率及测量之间的关系作了概述，讨论了g p s 共视法的技术发展动态，超光速研究的国内外发展状况及本论文的主要研究成 果。 第二章把基于正交小波变换的多尺度卡尔曼滤波的思想用在g p s 共视数据 的估计中。对相距2 0 0 0 多公里的中国科学院国家授时中心( n t s c ) 与日本通信 综合研究所( c r l ) 的共视观测资料进行处理，并把它与传统的卡尔曼滤波结果 相比较。 为进一步研究g p s 共视观测数据特性，运用基于小波系数相关性的多尺度卡 尔曼滤波器算法来处理g p s 共视观测数据。 皮秒级时频处理原理及电领域传输速度异常现象研究 第三章利用时频信号传输的时一空关系来处理时间间隔的测量问题，提出基 于时空关系的时间自j 隔测量方法。并对此新原理进行实验验证和原型设计。 第四章为进一步提高基于时一空关系的时问间隔测量原理的测量仪器的精度， 提出用长度游标法与时空关系相结合的时间与频率测量方法。并进行了实验验证 和性能分析。 第五章构建了一种具有周期失配性的结构测量电信号的群速传播情况，此种 阻抗失配引起非正常色散以及在8 m h z 附近出现禁带。正弦调制信号和窄脉冲信 号分别被送入两种超光速实验装置，结果正弦调制信号在禁带出现群速超光速， 而窄脉冲信号始终以正常速度传播。当改变调制信号幅度、给调制信号的峰值在 5 分频处加载时标信号后去调幅载波，改变传输线长度及传输线的环境温度时， 进行群速超光速实验，以研究当各种条件发生变化时，群速超光速速度变化情况。 第一章绪论 9 本章参考文献 【l 】周渭，偶晓娟，周晖等时频测控技术2 0 0 6 年7 月第1 版陕西：西安 电子科技大学出版社，2 0 0 6 1 - 2 。 【2 u d e mt h ，r e i c h e r tw h a e n s c hw a b s o l u t eo p t i c a lf r e q u e n c ym e a s u r e m e n to ft h e c e s i u mdl i n ew i t ham o d el o c k e dl a s e r p h y r e v l e t t ，1 9 9 9 ，8 2 ：3 5 6 8 【3 】黄志洵近年来国外的超光速实验北京石油化工学院学报2 0 0 2 ，9 月，1 0 ( 4 ) 。2 0 - 2 5 。 【4 c h us , w o n gs l i n e a rp u l s ep r o p a g a t i o ni n 硼a b s o r b i n gm e d i u m p h y r e v l e t t 1 9 8 2 ，m a r c h ，4 8 ( 1 1 ) 7 3 8 - 7 4 1 【5 s t e i n b e r gam ，k w i mpg a n dc h i a orym e a s u r e m e n to ft h es i n g l e p h o t o n t u n n e l i n gt i m e p h y r e v l e t t 1 9 9 3 ，a u g u s t ，7 1 ( 5 ) 7 0 8 - 7 1 1 【6 e n d e r a 气n i m t zgp h o t o n i c t u n n e l i n ge x p e r i m e n t s p h y r e z b 1 9 9 3 ，a p d i ，4 7 ( 1 5 ) 9 6 0 5 - 9 6 1 0 【7 】杨旭海( g p s 共视时间频率传递应用研究中国科学院研究生院，博士学位 论文2 0 0 3 5 7 。 【8 a l l a ndw , t h o m a sc t e c h n i c a ld i r e c t i v e sf o rs t a n d a r d i z a t i o no fg p st i m er e c e i v e r s o f t w a r e m e t r o l o g i a , 1 9 9 4 ，3 1 6 9 - 7 9 【9 w l o d z i m i e r zl e w a n d o w s k i ，j a c q u e sa z o u b i b ，w i l l i a mjk g p s ：p r i m a r yt o o lf o r t i m et r a n s f e r p r o c e e d i n go ft h ei e e e , 1 9 9 9 j a n u a r y , 8 7 ( 1 ) ，1 6 3 1 7 2 【l o 】黄志洵超光速研究的4 0 年一一回顾与展望中国工程科学2 0 0 4 , 1 0 月，6 ( 1 0 1 ，6 - 2 3 。 【1 1 】黄志洵超光速问题与电磁波异常传播中国工程科学2 0 0 0 ，1 0 月，2 ( 1 0 ) ，8 0 9 2 。 【1 2 】黄志洵地外文明探索与超光速研究北京石油化工学院学报2 0 0 6 ，1 2 月，1 4 ( 4 ) ，2 8 3 8 。 【1 3 】黄志洵超光速研究的历史与若干进展北京广播学院学报2 0 0 1 ，1 月，( 1 ) ，1 1 7 。 【1 4 r a n f a g u ia ，m u g n a id a n o m a l o u sp u l s ed e l a yi nm i c r o w a v ep r o p a g a t i o n ：ac a e s o f s u p e f l u m i n a lb e h a v i o r p h y r e v e 1 9 9 6 , 5 4 ( 5 ) ，5 6 9 2 5 6 9 5 1 0皮秒级时频处理原理及电领域传输速度异常现象研究 【1 5 h a c h 6ap o i r i e rl l o n g - r a n g es u p e r l u m i n a lp u l s ep r o p