电子科技大学 计量概论 11

1、时间频率计量 第十一章 1精思国计细量民生 第一节 时间频率的基本 名称和概念 一 时间、频率的概念 定义：有关时间和频率的统计统称为时间 频率计量 2精思国计细量民生 一 时间、频率的定义 时间是一个基本物理量，是七个基本单位之一 单位：S 频率描述的是在单位时间内某现象所重复的次数 ，它是时间的导出量 单位是:Hz 二者关系：f=1/T 3精思国计细量民生 二 时标 一世界时（UT） 二历书时（ET） 三原子时（AT）、国际原子时(TAI) 四世界协调时（UTC） 4精思国计细量民生 一 世界时 u具有很高的稳定度和重复性的周期可以用来定义 时间单位，首先，人们选择了地球的自转周期， 人们

2、把地球自转一圈的时间称为一个地球日，把 全年长短不一的地球日取平均值，得到一个平太 阳日。 u世界时的秒定义:一S等于平太阳日的86400分之一 u平太阳日的准确度只有“ ” 9 10 5精思国计细量民生 世界时的得到 1884年国际子午线会议决定，以通过英国格 林威治天文台的经线作为计算全球经度的起点 (0),每隔15定一条标准经线，在其两侧各 730的地区（时区）内均采用标准经线处的地 方时，称为该地区的标准时（或区时），这样， 全球一共分为24个时区，相邻时区的标准时相差 一小时，世界各地的标准时，都归算到零时区的 标准时（格林威治平太阳时），称为世界时。 我国共跨越5个时区，北京时间采

3、用东八区区时 6精思国计细量民生 二 历书时 基于地球公转 历书秒：1s威1900年1月10日历书时12时起算的回 归年的1/31556925.9747 缺点：测算复杂，使用不便 7精思国计细量民生 三 原子时（AT）、国际原子时（TAI） 原子或者分子跃迁的时候辐射或吸收一定频率的 电磁波，这种电磁波的频率稳定性相当高，利用 其定义秒可使秒的准确度大大提高 国际原子时（TAI）的时间单位是原子秒。 国际原子时是以世界各国授权实验室所保持的原 子钟读数为依据，并经理论修正得到的。 铯原子钟的准确度已经达到了 15 10 8精思国计细量民生 协调世界时由原子时和世界时结合而成。 出现原因：准确的

4、时间间隔和不均匀的时刻之间 的矛盾 解决问题：闰秒 9精思国计细量民生 四 协调世界时（UTC） 10精思国计细量民生 自从1967年第13届国际剂量大会将时间间隔单位定 义为原子秒以来，已经先后研制成功了三代铯原子基准 装置，即： 磁选态热束型 光抽运热束型 激光冷却铯原子喷泉型 三种基准的准确度均达到了10-15量级 11精思国计细量民生 一、铯原子时间频率基准的工作原理 设法使原子或分子受到激励，使其产生能级跃迁 就能够得到其相应的稳定而又准确的频率 由于铯-133 的能级十分稳定，利用铯-133 的某 一固定跃迁，可以制成国际标准计时器 特点：高度的可靠性和可复制性 12精思国计细量民

5、生 铯原子基准装置 磁选态热束型铯原子时间频率基准 光抽运热束型铯基准 激光冷却铯原子喷泉钟 13精思国计细量民生 精思国计细量民生14 精思国计细量民生15 铯原子钟铯原子钟 （摘自百度） 16精思国计细量民生 铯原子钟铯原子钟 （摘自百度） 17精思国计细量民生 铯原子钟铯原子钟 （摘自百度） 18精思国计细量民生 激光冷却铯原子喷泉钟 利用激光制冷的低温使得铯原子象喷泉一样“升 降”而得名。 优点：信号的解析度比传统的铯原子钟高100倍以 上，也使铯原子成为目前准确度最高的时频基准 ，准确度可以达到 甚至 量级 15 10 16 10 19精思国计细量民生 激光冷却铯原子喷泉钟 精思国计

6、细量民生20 激光冷却铯原子喷泉钟的工作过程 一形成冷原子团 二形成喷泉式运动 三再次吸收微波的能量 四铯原子跃迁 五铯原子回到基态能级 如此反复多次，取每一次微波谐振腔中的共振频 率的平均值，可以得到一个确定频率的微波，使 大部分铯原子的能量状态发生相应改变。这个频 率就是确定秒长的基础频率 21精思国计细量民生 精思国计细量民生22 美国美国NISTNIST的钙原子钟的钙原子钟 24精思国计细量民生 一一 搬运钟搬运钟 缺点：花费高，并且服务范 围有限，现在已经较少采 用。 二二 有线时频传递有线时频传递 优点：工作可靠、成本低廉 、可满足中等准确度时间 用户的要求 准确度可达1ms 25

7、精思国计细量民生 三 无线时频传递 专用时频传递系统 短波 长波 兼用时频传递系统 26精思国计细量民生 四 卫星时频传递 优点：覆盖面积广、受大气层和电离层干扰小、 可靠性高、与导航、通信、气象、电视广播等服 务兼容。 它是目前潜力最大，受重视程度最高的时频传递 技术 27精思国计细量民生 利用卫星进行时频传递的实现方法 利用卫星进行时间频率对比的方法可以分为“有 源”和“无源”两类。 无源又可分为单向法和双向法 单向法准确度：1050s 双向法分为两种： 闭环两次转发 开环一次转发 28精思国计细量民生 精思国计细量民生29 第四节 时间频率计量发展的现状 时间频率计量发展的现状 30精思

8、国计细量民生 总述 时间频率作为一个重要 的基本物理量在国民经 济、国防建设和基础科学研究中起着重要作用， 世界各国都十分关注时间频率计量的发展和研究 并不断投入巨资研究开发相关技术，以求保持领 先地位。 31精思国计细量民生 一 各国铯原子时间频率基准研究现状 法国、美国和德国一直在时间频率的研究领域处于领先地 位。 法国拥有最好的铯原子钟。 瑞士科学家研制出的铯原子钟准确度可达（13）10-15 我国的“NIM4激光冷却铯原子喷泉时间频率基准”准确 度可达5 10-15，获2006年度国家科技进步一等奖。表明 我国时间频率计量已经进入世界最先进水平的行列 32精思国计细量民生 二 新一代时间频率基准研究状况 全光学原子钟 新一代的10-1610-17量级的新型时频装置也正在被 不断的研究 （1） 激光冷却铷原子喷泉钟 （2） 微重力作用下的冷原子钟（空间钟） 33精思国计细量民生