时差测量技术及其应用

本文系统地论述了时差和双混频时差测量的基本原理、测量新技术以及在时频测量、相位测量等领域里的应用,着重分析其双混频时差测量系统的侧量上限和提高测量上限的措施。     

关于为全球定位系统第一阶段时域测量而建立的NBS双混频时差系统的报告

根据1975年频率控制年会上报告的一篇文章,NBS被要求建立一个双混频时差测量系统。本报告的内容包括满足这种要求的双混频时差系统的设计、制作和测试。该系统的时差测量精度约为0.1ps,准确度约为10ps;同样,频率稳定度的精度可描述为σ_y(τ)≈10~(-13)τ~(-1),0.1s<τ<10~3s,在τ约等于半天时,它等于10~(-16)。全球定位系统计划的第一阶段对该系统的要求是对载于卫星上的钟进行测量。本报告所述双混频时差系统,是能够容易地满足该计划整个时域测量要求的唯一系统。从1975年频率控制年会上报告的原型双混频时差系统获得进一步认识的同时,为满足全球定位系统第一阶段所用时域测量系统的要求,对双混频时差系统的设计和制作作了适当的修改。这些修改包括:一对NBS设计的、用于隔开来自公共振荡器的信号的隔离放     

双混频时差测量系统计算表达式的分析

本文详细推导和分析了双混频时差测量系统的计算公式,解释了式中各量的物理意义,并给出计算表达式的条件公式。文中<σ~2Δyc(2·τ·Δt)>是公共振荡器频率随机起伏二级差分均方,τ为采样周期,Δt 为采样时间。它是双混频时差测量系统所特有的。     

双时差测量系统及其新的应用

本文通过对双混频时差系统公共源噪声影响的分析,推导出该系統对五种主要噪声的条件公式,该系统对被测源与参考源相对频率偏离度要求的关系式,并对阿仑为双时差测量系统提出的条件公式进行了探讨。本文的分析探讨还在于使用双混频时差系统的自校测量时.当(?)_ιΔt<<1,可以区分频率源的调相白噪声和调相闪变噪声;当(?)_ιΔt>>1,可以测量频率源在极短时间Δt内的频率稳定度;当Δt≈ι,可以测量某些频率源存在的而用阿仑方差不能表征的f_(-3)及F_(-4)型两种噪声。     

双混频时差测量系统的研究

本文对双混频时差测量系统进行了全面的分析,并对系统中的公共源和自校源的噪声贡献进行了深入的理论分析,指导出自校源与公共源噪声贡献的数学模型,并运用频域分析法得出公共源为五种幂律谱噪声时的噪声贡献表达式,论证了噪声贡献与△t/τ的变化规律。本文在双混频时差系统上进行了大量实验,提出了验证理论的实验方法。实验数据和理论值吻合一致。     

一种自动化高精度相位测量系统

一种采用了多种已有技术、具有多种特点的全自动测量系统已研制成功。这个系统为双混频时差技术的扩展而保持了它的重要特点:间歇时间为零,能进行相位差绝对测量,精度很高,能测量频率相同的振荡器并根据使用人选择的时间进行测量。对某一套设计参数来说,理论分辨度为0。2ps,测量噪声为2ps(有效值)并可在所选时间的0.1s内进行测量。由于增加了定标器以消除过去实验中发生的周期模糊(CyCle ambiguify),双混频时差技术得到了发展。在这方面,系统的功能相当于一个分频器加上钟,对设备中被测的每一个器件的恒定相位延迟进行贮存。自动化是以ANSI/IEEE—583(CAMAC)接口标准为基础的。每个测量通道包括一个混频器,过零检波器、定标器和时间间隔计数器。一个两倍宽度的标准卡马克(CAMAC)组件中安装有四个通道。这个组件安装在一个标准的CAMAC箱内,备有控制器以便与多种计算机以及与任何IEEE—488兼容的装置相对接。现有两个系统已工作数月,一个系统每天工作24小时,从NBS时标的15个钟取得数据,另一个系统在实验室的短期实验中使用。     

精密时间间隔测量方法的改进

用于短时间间隔测量的量化时延法可显示较高的测量分辨力。然而 ,随着测量分辨力的提高 ,则需要更多的延迟组件和附加电路 ,这样不但设备的复杂度增加 ,而且还会产生附加误差 ,测量分辨力受到限制。提出一种改进方法 ,即在量化测量原理的基础上 ,利用细测与粗测相结合的方法来测量精密时间间隔。这种方法与CPLD相结合 ,可以在使用较少数量的延迟组件情况下 ,获得得 4 0 0ps的测量分辨力。     

双混频时差测量系统设计中的理论和技术问题

从分析双混频时差(DMTD)测量系统的测量误差着手,对系统设计和使用中常磁到的一些理论和技术问题进行了探讨,这涉及到公共源的影响、移相器的作用、自校和测量中的其它问题。     

基于FPGA的高分辨力时间数字转换器的应用研究

高分辨力时间间隔测量技术在许多研究和应用领域中都具有十分重要的地位。基于FPGA技术,利用高分辨力时间数字转换器TDC芯片,设计出了一种高准确度时间间隔测量系统,该系统可以工作在不同模式及分辨力,也可以进行不同通道的选择,最多可以达到8个测量通道。测量结果显示,该测量系统可以达到18.6 ps的标准偏差。     

WR技术的发展与应用

本文介绍一种在精密时钟同步协议(PTP)的基础上发展而来的新技术——WR技术(White…Rabbit,白兔)。WR联合同步以太网以及双混频时差法测量手段,通过对主从时钟间链路环路延迟的不间断高精度的测量,后以测量结果对从时钟的时钟信息进行动态校准,主从时钟的同步精度达到亚纳秒甚至皮秒级。文章先引出WR的发展历史,以及WR中所包含的主要技术,并介绍目前WR在某些科学领域所发挥的作用,最后提出WR未来在其他领域的应用。     

时间比对中时间间隔测量与频率源比相的关系及其应用

目前的时间比对中通常采用时间间隔测量仪作为测量仪器,在这种条件下时间间隔测量仪的分辨力制约时间比对的分辨力。分析了时间比对过程中的时间比对和频率源比相之间的关系,提出了利用频率源比相测量间接完成时间比对的思路并完成了验证上述思路的实验。指出了这种间接测量的优点。     

基于时空和时相关系的时频处理方法

随着导航定位、空间技术、计量、精密时频测控包括各种量子频标的发展,对特高分辨力的时间测量和处理以及高频率的点频信号测量提出了更高要求。针对这方面的问题可以采用以信号稳定传输现象为基础以及相位变化规律存在于任意频率信号之间等特性达到高精度测量的目的。基于信号传播的稳定性,根据时间和空间之间的关系,通过建立针对性的传输通道把被测量的时间间隔与相应的路径上的延迟时间拟合进行测量。能够把被测量的时间间隔,尤其是短时间间隔量在空间的方向上展开通过对相应长度量的测量和处理算出被测量。作为对短时间间隔的测量结果,它可以成为传统多种技术的替代品,并且成为大量频率、周期和时间间隔测量技术与仪器精度进一步提高的关键手段。这项工作与传统的时—空关系的认识及利用结合更有利于对于时间、传输、空间的联系、单位的相关性等的理解进一步深化。另一方面,在频率信号之间基于最小公倍数周期会周期性地出现信号间相位重合的情况。这样在时间轴上,可以按照时间的延伸周期性地出现代表随着时间而进行的最小公倍数周期间隔的重合标志。在此基础上调整来自同一参考源的两个频率信号的频率关系,就能够调整时间轴上的时间标记。因此,基于上述频率信号特征的时间传输和处理技术可以实现建立在频率信号特性基础上的时间信号的形成、传递和处理等问题。     

用铷原子钟对PC进行时间校准及其误差分析

个人计算机（以下简称PC）的系统时间由其自带的RTC晶振提供,其时间频率准确度并不高。为此,综合考虑各种方案,采用外部校准时间的方法提高PC时间的准确度。通过时间间隔测量的方法获得了作为校准时间结果的钟差值,并对实验结果做了详细分析。测试结果表明,PC与铷钟同步标准偏差小于1ms。经过时间校准后的PC可以作为网络时间服务器。     

Low-cost precise measurement of oscillator frequency instability based on GNSS carrier observation

Global navigation satellite systems (GNSS) receivers can be used in time and frequency metrology by exploiting stable GNSS time scales. This paper proposes a low-cost method for precise measurement of oscillator frequency instability using a single-frequency software GNSS receiver. The only required hardware is a common radio frequency (RF) data collection device driven by the oscillator under test (OUT). The receiver solves the oscillator frequency error in high time resolution using the carrier Doppler observation and the broadcast ephemeris from one of the available satellites employing the onboard reference atomic frequency standard that is more stable than the OUT. Considering the non-stable and non-Gaussian properties of the frequency error measurement, an unbiased finite impulse response (FIR) filter is employed to obtain robust estimation and filter out measurement noise. The effects of different filter orders and convolution lengths are further discussed. The frequency error of an oven controlled oscillator (OCXO) is measured using live Beidou-2/Compass signals. The results are compared with the synchronous measurement using a specialized phase comparator with the standard coordinated universal time (UTC) signal from the master clock H226 in the national time service center (NTSC) of China as its reference. The Allan deviation (ADEV) estimates using the two methods have a 99.9% correlation coefficient and a 0.6% mean relative difference over 1–1000 s intervals. The experiment demonstrates the effectiveness and high precision of the software receiver method.     

频率量输出型传感器的动态校准方法研究

研究了频率量输出型传感器的动态校准问题，探讨了满足动态校准要求的非等周期频率测量方法以及相应的测量精度、分辨率和采样周期之间的关系，提出了非等周期时间序列分析的虚拟采样预处理方法，进而实现用常规失支来分析频率量输出型传感器的动态性能和建立其动态模型。     

脉冲星导航的整周模糊度解算方法研究

脉冲相位是X射线脉冲星导航方法的基本观测量,在测量的脉冲相位与预报相位比对的过程中存在整周期模糊度问题．借鉴GPS载波相位模糊度的解算方法,提出了单差搜索法、最小二乘搜索法和模糊度函数法3种空间搜索方法用以解算脉冲星导航系统的整周模糊度,并针对地球卫星完全迷失的情况进行了搜索仿真验证．结果表明,这3种方法都能够准确地解算出整周模糊度,均可用于脉冲星导航系统的在轨解算．其中最小二乘搜索法的性能稳定,搜索速度快;模糊度函数法搜索速度慢,但适用于装配单X射线探测器的脉冲星导航系统．     

声表面波色散延时线激励的高精度时间间隔测量方法

高精度时间间隔测量技术对国民经济与国防建设意义重大,论述了一种新的高精度时间间隔测量方法,可以达到1ps量级甚至更高的测量精度。该方法利用声表面波色散延迟线作为时间内插器,时间内插器起到时间拉伸的作用,从而可以获得多个观测值,由于平均的效果,总的测量误差将被大大降低。理论分析与仿真实验均表明该方法可以达到很高的时间测量精度,是切实可行的。     

基于时频分析的电离层多模污染抑制研究

研究高分辨线性时频分析方法和联合时频分析方法，利用这两种方法对高频电离层返回散射探测的多个传播模式实测数据，对污染抑制效果进行分析.结果显示，这两种基于时频分析的方法针对多模和相位污染同时存在的复杂情况，与其他常规方法相比均使杂波谱得到了较好的锐化，目标信号在二维时频域较清楚地显出.因此可以证明，上述两种方法具有很高的应用价值，对天波超视距雷达海上低速目标检测具有重要意义.