光钟性能表征及测量方法-编制说明

《光钟性能表征及测量方法》国家标准

编制说明

（征求意见稿）

2023年3月12日

《光钟性能表征及测量方法》国家标准编制说明

一、工作简况

（一）任务来源及协作单位

2021年8月24日，国家标准化管理委员会发布《关于下达2021年第二批

推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》，下达了《光钟性能表征及

测量方法》推荐性国家标准的制定任务，计划号：20214287-T-469，项目周期24

月。本标准由全国量子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）提出并归

口，由中国计量科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国

科学技术大学、航天二院北京无线电计量测试研究所、中国信息通信研究院、航

天五院钱学森空间技术实验室、国仪量子（合肥）技术有限公司、深圳中国计量

科学研究院技术创新研究院、济南量子技术研究院、北京长城计量测试技术研究

所等单位共同负责标准起草。其中，中国计量科学研究院为该标准起草工作的牵

头单位。

（二）制定背景

时间频率是所有物理量中测量不确定度水平最好的物理量，其他物理量的精

密测量都尽量转换成时间频率来测量。光频标的频率不确定度已经进入E-18量

级，比目前的秒定义基准铯频标好约两个数量级。国际计量组织已经推出“秒”

定义改为光频标的路线图，并计划于2026年正式讨论光频标“秒”定义变更事

宜。光钟是时间频率领域内不确定度指标最高的测量仪器，在未来的量子精密测

量中起到了参考的作用，为其他量子测量提供了精密测量的基础。

目前国际上光钟研究的发展速度很快，主要发达国家都在加紧光钟的研制和

比对。国内也有超过十个单位在进行光钟的研制，研制的光钟的类型也不相同，

各个单位采用了各种指标来说明自己的光钟的水平，虽然数值类似，但是表征的

能力却有很大差别，对于评价光钟的性能造成了很大的困难，例如，表述光钟的

指标出现了很多不同的指标表述，如环内伺服稳定度、分时自比对稳定度、独立

光钟互相比对稳定度、同一光阱不同部分原子之间比对稳定度、绝对频率不确定

度、系统误差的不确定度和相对不确定度等指标，这些指标在物理意义上有很大

的差别，不能混为一谈，但是很多人在引用这些数字的时候，不清楚这些差别，

只比较数字，造成了很大的误解。研究成果和产品也很难进行直接性能的比较，

对于绩效评价和采购招标等造成了很多的不便。

在表征光钟性能指标上，存在概念不清、指标混用的问题，亟待解决。为了

能够比较不同的光钟的性能，有必要澄清一些术语，对各种采用的指标进行说明，

对测量方法进行一些规定，使得测量给出的性能具有可比性，为未来时间频率系

统中选择不同光钟应用不同场合提供基础，指导各个单位给出相同意义的参数，

促进光钟更好的应用于时间频率系统，进一步推动光钟相关产业整体的发展。

（三）主要工作过程

项目启动至已经进行了3次工作会议，因受疫情影响，工作会议形式全部以

线上腾讯会议形式开展。会议主要内容如下：

第一次会议（会议号：377620915）于2022年3月11日召开，会议介绍了

标准起草注意事项，对标准起草各阶段工作进行了初步安排，包括起草阶段、征

求意见阶段、审查阶段、报批阶段的时间安排与工作成果要求。会议对标准框架

和后续工作内容进行了介绍，提出标准的框架是否需要扩展、如何包含企业研制

的应用型光钟、是否包括系统频移不确定度评估、还需要增加哪些表征参数、参

数测量细化程度等问题。与会专家针对上述问题进行了讨论，确定了标准草案的

基本框架及编写注意事项。

第二次会议（会议号：299838775）于2022年5月13日召开，会议介绍了

标准编写核心组成员，提出标准框架主要由核心组进行编写。编写内容主要分为

术语和定义，光钟功能和原理，光钟性能表征三部分内容，其中光钟性能表征主

要包括频率稳定度，不确定度和运行率三部分。经与会专家就工作计划与分工安

排讨论后，对上述编写内容进行了详细分工。

第三次会议（会议号：375606736）于2023年1月13日召开，会议介绍了

标准前期的编写情况与工作内容，介绍了已完成初稿的结构和内容。与会专家就

草案内容发表建议与看法，确定了后续需要完成的工作。

（四）国家标准主要起草人及其所做的工作

本标准由中国计量科学研究院作为牵头单位，由中国计量科学研究院、中国

科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技术大学、航天二院北京无线

电计量测试研究所、中国信息通信研究院、航天五院钱学森空间技术实验室、国

仪量子（合肥）技术有限公司、深圳中国计量科学研究院技术创新研究院、济南

量子技术研究院、北京长城计量测试技术研究所等单位共同负责起草。主要起草

人员及其工作如下表1：

表1标准起草人员及主要工作

序号单位主要工作

牵头标准预研，负责标准制定全面

工作，包括制定和推进工作计划、文

1中国计量科学研究院

件收集、提出标准整体框架和主要

技术内容,参与讨论提供意见建议

参与标准预研，起草标准与编制说

中国科学院精密测量科学与技

2明，参与讨论、提供意见和建议，对

术创新研究院

测试方法进行修改

参与标准预研，起草标准与编制说

3中国科学技术大学

明，参与讨论、提供意见和建议

航天二院北京无线电参与标准预研，起草标准与编制说

4

计量测试研究所明，参与讨论、提供意见和建议

参与标准预研，起草标准与编制说

5中国信息通信研究院明，参与讨论、提供意见和建议，提

供标准工作指导

6中国科学技术大学参与讨论、提供意见和建议

航天五院钱学森

7参与讨论、提供意见和建议

空间技术实验室

国仪量子（合肥）技术有限公

8参与讨论、提供意见和建议

司

深圳中国计量科学研究院

9参与讨论、提供意见和建议

技术创新研究院

10济南量子技术研究院参与讨论、提供意见和建议

11北京长城计量测试技术研究所参与讨论、提供意见和建议

二、标准编制原则

（一）科学性和系统性

本标准所规定的光钟性能评价指标和测试方法与我国近年来的量子精密测

量的发展和应用紧密结合，吸纳了国内该领域内同行所积累的相关经验，确保标

准内容科学性和系统性，填补国内光钟领域的标准空白。

（二）准确性和完整性

本标准充分考虑了光钟的不同工作原理和不同工作场景，所约定的术语适用

于不同的光钟的性能评价和测试。本标准在约定性能评价标准和测试方法时充分

了现有的相关标准规范，保证术语的语义准确性和内容的完整性。

（三）可操作性

本标准所约定的性能指标和测试方法已经在光钟相关文献中反复实现，并且

是行业内普遍认同的光钟性能评价的指标术语，具有可操作性。

（四）标准的对象和范围

本标准规定了光钟的各类评价指标和相应的测试方法。本标准对光钟领域的

覆盖范围广，适用于不同类型光钟的性能评价和测试。

三、标准中主要技术内容确定的依据和过程

1.频率稳定度。为了满足最终用户的各种需求，光钟需要输出高稳定的光学

频率信号，光钟的频率稳定度表征了该信号随时间的变化程度。采用阿伦偏差评

估光钟的频率稳定度是原子钟领域内的普遍做法。由于光钟操作复杂，体积庞大，

在不同的条件或场合需要选择不同的测量方法。在只有一台光钟时，可以通过环

内频率稳定度用于对光钟锁定能力进行评估，或分时间、分空间自比对得到频率

稳定度。当具有两台及以上的光钟时，需要考虑是否共用光学本地振荡器、是否

同种光钟等因素，又细分为5种不同情况下的频率稳定度测量。

2.频率准确度。光钟的频率准确度表征了光钟输出的光学频率信号与定义

值是否一致。频率准确度包含系统频移不确定度和绝对频率不确定度两个方面。

由于各种外界噪声的存在，原子不可能处于完全未受干扰的条件下，因此其输出

频率相对于未受干扰的理想值之间会出现一个频率偏移，这个偏移量被称为系统

频移。光钟的输出频率溯源到现有秒定义的过程中所产生的总测量不确定度是绝

对频率的不确定度。频移的准确性需要通过很多参数来描述，因此需要进行不确

定度评估。本标准起草过程中参考了国内外相关领域的经验，给出测量方法、计

算方法与适用场合。

3.运行率

光钟不仅仅是科研产品，未来也要产业化、商品化，面向研发、生产、使用、

维护等环节。而作为产品，光钟运行率等问题的测量目前是有争议的，需要在标

准里界定清楚。光钟的运行率适合作为光钟可靠性的考核指标之一，考察光钟在

某一时间段内的服务能力，对于光钟驾驭时标等应用有着非常重要的影响。本标

准起草过程中参考了国内外相关领域的经验，给出测量方法、计算方法与适用场

合。

四、试验验证情况

本标准中涉及的验证实验数据见标准文档的附件及测试报告所示。

1)主要试验（或验证）的分析、综述报告

现阶段仅对利用一台光钟测量得到的分时间交替自比对频率稳定度进行试

验，使用的方法经过广泛应用，其有效性得到了充分的验证，基本可以统一光钟

的关键性能参数测试方法，为行业推荐可操作的统一检测方法奠定基础。

2)试验方案设计

试验对象准备：锶原子光晶格钟一台

试验效果图见试验验证报告。

3)试验结果

基于上述标准验证试验数据的比对分析，可以得出结论：依据国内现有硬件

条件，本项目在国内可以有效实施。

五、标准与其他国际、国外相关文件的关系

目前，国际上暂无关于光钟性能要求或测试方法相关的标准，本标准中所规

定的性能评价指标和测试方法均为国内外文献中普遍采用的方法。

六、标准采用国际文件的情况说明

经检索，国际上还没有类似的标准，本标准未翻译或采用国际标准。

七、标准与其他法律、法规、标准等的关系

本标准的制定参考了我国近些年在光钟的发展所积累的经验，在时间频率计

量领域方面给出的术语引用了国内外部分法规与标准，包括GB/T27418-2017测

量不确定度评定和表示，JJF1180-XXXX时间频率计量名词术语及定义，ISBN：

9787030448903计量学名词.XXXX，对应的国际文件为国际计量局发布的the

InternationalVocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology的最新版本，GB/T

XXXX-XXXX精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法，IEEEStd1139-

2009基本频率和时间计量随机不稳定性物理量定义（IEEEStandardDefinitions

ofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyandTimeMetrology—Random

Instabilities）。

八、重大分歧意见的处理过程及依据

本标准在立项及各次讨论会中，以及编写讨论中，没有产生重大分歧。

九、对标准实施情况的说明

本标准实施的领域是光钟的科研及生产领域，建议急需按照标准立项计划时

间表实施。国际上正在准备进行国际单位制秒定义的修改，新的秒定义将以光钟

为基础，目前计划在2030年进行秒的重新定义，光钟在未来时间频率测量领域

将发挥重要的作用，光钟的研制和生产在未来将有很大的成长空间。本标准针对

光钟研制和生产过程，对于光钟主要性能的评价提供了基本的参数和方法，便于

各种光钟之间进行比较，方便项目管理单位、研制单位、第三方检测单位对项目

的质量进行控制，方便企业和用户对商业化产品的性能进行比较，促进光钟的研

究和生产领域的健康发展。

十、其他事项

无

《光钟性能表征及测量方法》国家标准编写工作组

2023年3月12日

附件：

《光钟性能表征及测量方法》

实验测试报告

1.被测光钟

准备了一套用于光钟分时间交替自比对频率稳定度测量任务所需的锶原子

光晶格钟，光钟系统照片如图1所示。

图1被测光钟的实物照片

2.测试设备

由于采用的是自比对方式，只需单台光钟，无须其它测试设备。比对数据

记录在光钟运行的控制电脑中。

3.测试过程

中国计量科学研究院进行根据标准文档第5.1.2.2节对光钟进行时间交替自

比对测试，用于计算频率稳定度。

光钟在运行时间序列上分为两个锁定运行状态，状态a为低原子密度态，

状态b为高原子密度态，通过改变蓝MOT原子的装载时间，设置不同运行周

期的原子数来改变原子密度；被调制的原子数在状态a时取值为，在状态b

时取值为；状态a的锁定伺服器为，状态b的锁定伺服器为。在状态a

的阶段，把钟激光频率锁定到原子跃迁上，伺服执行器的输出量为

，因此光钟输出频率为，通过光钟的数据采集系统在锁

定文件中记录和；在状态b的阶段，把钟激光频率锁定到

原子跃迁上，伺服执行器的输出量为，因此光钟输出频率为

，也通过光钟的数据采集系统在锁定文件中记录和。

则单次测量的分时间交替自比对频率差为

利用公式6和公式7进行计算分时间交替自比对频率稳定度，此时光钟输

出频率为429THz。

4.测试结果：

经分时间交替自比对后，得到计算机记录的声光调制器频率数据，分时间

交替自比对频率差如图2，计算后得到的分时间交替自比对频率稳定度如图3。

图2分时间交替自比对数据及频率差

图3分时间交替自比对频率差的相对频率稳定度

5.附件数据

附件1：光钟测控计算机采集的两个不同运行状态下声光调制器控制频率记

录文件。

目次

一、工作简况.................................................................3

（一）任务来源及协作单位................................................3

（二）制定背景..........................................................3

（三）主要工作过程......................................................4

（四）国家标准主要起草人及其所做的工作..................................4

二、标准编制原则.............................................................6

（一）科学性和系统性....................................................6

（二）准确性和完整性....................................................6

（三）可操作性..........................................................6

（四）标准的对象和范围..................................................6

三、标准中主要技术内容确定的依据和过程.......................................6

四、试验验证情况.............................................................7

五、标准与其他国际、国外相关文件的关系.......................................7

六、标准采用国际文件的情况说明...............................................7

七、标准与其他法律、法规、标准等的关系.......................................7

八、重大分歧意见的处理过程及依据.............................................8

九、对标准实施情况的说明.....................................................8

十、其他事项.................................................................8

附件：......................................................................9

《光钟性能表征及测量方法》国家标准编制说明

一、工作简况

（一）任务来源及协作单位

2021年8月24日，国家标准化管理委员会发布《关于下达2021年第二批

推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》，下达了《光钟性能表征及

测量方法》推荐性国家标准的制定任务，计划号：20214287-T-469，项目周期24

月。本标准由全国量子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC578）提出并归

口，由中国计量科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国

科学技术大学、航天二院北京无线电计量测试研究所、中国信息通信研究院、航

天五院钱学森空间技术实验室、国仪量子（合肥）技术有限公司、深圳中国计量

科学研究院技术创新研究院、济南量子技术研究院、北京长城计量测试技术研究

所等单位共同负责标准起草。其中，中国计量科学研究院为该标准起草工作的牵

头单位。

（二）制定背景

时间频率是所有物理量中测量不确定度水平最好的物理量，其他物理量的精

密测量都尽量转换成时间频率来测量。光频标的频率不确定度已经进入E-18量

级，比目前的秒定义基准铯频标好约两个数量级。国际计量组织已经推出“秒”

定义改为光频标的路线图，并计划于2026年正式讨论光频标“秒”定义变更事

宜。光钟是时间频率领域内不确定度指标最高的测量仪器，在未来的量子精密测

量中起到了参考的作用，为其他量子测量提供了精密测量的基础。

目前国际上光钟研究的发展速度很快，主要发达国家都在加紧光钟的研制和

比对。国内也有超过十个单位在进行光钟的研制，研制的光钟的类型也不相同，

各个单位采用了各种指标来说明自己的光钟的水平，虽然数值类似，但是表征的

能力却有很大差别，对于评价光钟的性能造成了很大的困难，例如，表述光钟的

指标出现了很多不同的指标表述，如环内伺服稳定度、分时自比对稳定度、独立

光钟互相比对稳定度、同一光阱不同部分原子之间比对稳定度、绝对频率不确定

度、系统误差的不确定度和相对不确定度等指标，这些指标在物理意义上有很大

的差别，不能混为一谈，但是很多人在引用这些数字的时候，不清楚这些差别，

只比较数字，造成了很大的误解。研究成果和产品也很难进行直接性能的比较，

对于绩效评价和采购招标等造成了很多的不便。

在表征光钟性能指标上，存在概念不清、指标混用的问题，亟待解决。为了

能够比较不同的光钟的性能，有必要澄清一些术语，对各种采用的指标进行说明，

对测量方法进行一些规定，使得测量给出的性能具有可比性，为未来时间频率系

统中选择不同光钟应用不同场合提供基础，指导各个单位给出相同意义的参数，

促进光钟更好的应用于时间频率系统，进一步推动光钟相关产业整体的发展。

（三）主要工作过程

项目启动至已经进行了3次工作会议，因受疫情影响，工作会议形式全部以

线上腾讯会议形式开展。会议主要内容如下：

第一次会议（会议号：377620915）于2022年3月11日召开，会议介绍了

标准起草注意事项，对标准起草各阶段工作进行了初步安排，包括起草阶段、征

求意见阶段、审查阶段、报批阶段的时间安排与工作成果要求。会议对标准框架

和后续工作内容进行了介绍，提出标准的框架是否需要扩展、如何包含企业研制

的应用型光钟、是否包括系统频移不确定度评估、还需要增加哪些表征参数、参

数测量细化程度等问题。与会专家针对上述问题进行了讨论，确定了标准草案的

基本框架及编写注意事项。

第二次会议（会议号：299838775）于2022年5月13日召开，会议介绍了

标准编写核心组成员，提出标准框架主要由核心组进行编写。编写内容主要分为

术语和定义，光钟功能和原理，光钟性能表征三部分内容，其中光钟性能表征主

要包括频率稳定度，不确定度和运行率三部分。经与会专家就工作计划与分工安

排讨论后，对上述编写内容进行了详细分工。

第三次会议（会议号：375606736）于2023年1月13日召开，会议介绍了

标准前期的编写情况与工作内容，介绍了已完成初稿的结构和内容。与会专家就

草案内容发表建议与看法，确定了后续需要完成的工作。

（四）国家标准主要起草人及其所做的工作

本标准由中国计量科学研究院作为牵头单位，由中国计量科学研究院、中国

科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技术大学、航天二院北京无线

电计量测试研究所、中国信息通信研究院、航天五院钱学森空间技术实验室、国

仪量子（合肥）技术有限公司、深圳中国计量科学研究院技术创新研究院、济南

量子技术研究院、北京长城计量测试技术研究所等单位共同负责起草。主要起草

人员及其工作如下表1：

表1标准起草人员及主要工作

序号单位主要工作

牵头标准预研，负责标准制定全面

工作，包括制定和推进工作计划、文

1中国计量科学研究院

件收集、提出标准整体框架和主要

技术内容,参与讨论提供意见建议

参与标准预研，起草标准与编制说

中国科学院精密测量科学与技

2明，参与讨论、提供意见和建议，对

术创新研究院

测试方法进行修改

参与标准预研，起草标准与编制说

3中国科学技术大学

明，参与讨论、提供意见和建议

航天二院北京无线电参与标准预研，起草标准与编制说

4

计量测试研究所明，参与讨论、提供意见和建议

参与标准预研，起草标准与编制说

5中国信息通信研究院明，参与讨论、提供意见和建议，提

供标准工作指导

6中国科学技术大学参与讨论、提供意见和建议

航天五院钱学森

7参与讨论、提供意见和建议

空间技术实验室

国仪量子（合肥）技术有限公

8参与讨论、提供意见和建议

司

深圳中国计量科学研究院

9参与讨论、提供意见和建议

技术创新研究院

10济南量子技术研究院参与讨论、提供意见和建议

11北京长城计量测试技术研究所参与讨论、提供意见和建议

二、标准编制原则

（一）科学性和系统性

本标准所规定的光钟性能评价指标和测试方法与我国近年来的量子精密测

量的发展和应用紧密结合，吸纳了国内该领域内同行所积累的相关经验，确保标

准内容科学性和系统性，填补国内光钟领域的标准空白。

（二）准确性和完整性

本标准充分考虑了光钟的不同工作原理和不同工作场景，所约定的术语适用

于不同的光钟的性能评价和测试。本标准在约定性能评价标准和测试方法时充分

了现有的相关标