长度游标在精密时频测量中的应用

　　0引言

　　近年来由于航空航天、精密定位、通讯、计量、天文以及其他的高科技领域的技术发展,对于频率基、标准器的精度要求也越来越高。这方面发展的一个重要特点是光频标将以其精度上的优势而逐渐取代微波量子频标,同时微波量子频标的精度也在逐年提高。为了更好和更广泛的发挥这些频标的作用,高精度的检测技术也必须同步的发展。目前国内外所使用的频率测量和频标比对的方法如模拟内插、游标法、比相法和频差倍增法等其精度均有待提高,而且提高精度对设备的要求也很高,已经无法满足日益发展的频标技术的需求。为此,开发新的原理和新的途径是解决这个问题的关键。

　　由此,为进一步提高时间频率测量的准确度,我们提出了利用信号的时-空转换关系即信号在长度上延时所形成的长度游标[1-2],对已有的相位重合检测技术进行改进,可以获得更高的精度。

　　1 信号的时)空转换关系

　　光和电磁波信号在空间或者特定介质中的传递速度的高度准确性和稳定性在计量学中被作为一个自然常数[1],高精度的频标信号之所以能够被测量和应用就是因为传输环节的高稳定性作为保证。也通过试验验证了信号在同轴电缆中传输的稳定性,并测出了被测时间信号与其在长度上传输延迟的对应关系。我们用正弦波,方波等作信号源,同轴电缆作为延时线,并在其上取多个等距的检测点,利用HP5370B时间间隔测量仪对各个检测点之间的时间间隔进行测量,并与延时线的长度间隔作一一对应。试验装置如图1所示:

　　将所得到的实验数据绘成图形如图2所示。

　　图2中,“Δ”表示各点实测值减去第一点测值所得时间;“x”为延迟线长度对应的时间间隔。由图可以得知,信号在延迟线中传输基本是线性的而且稳定,外部测量设备的介入可能会在微细范围内影响传输性能,但若屏蔽措施得当,影响会减小。

　　2 长度游标技术在精密频率测量中的应用

　　在频率测量中可以用两个信号间相位重合检测的方法实现任意频率信号的精密测量[3],但是在实施方面很难获得理论上的精度,主要是高精度相位重合检测的实现较为困难。这是由于极窄脉冲信号产生的困难,特高分辨力的重合检测也不容易。例如,国内一些传统的频率计(如XDU-17A型)的理论精度可达到10-12量级,而实际只能达到10-10量级。然而,我们却能够在两个比对信号的相位差很小时通过长度游标来提高相位重合检测的精度。具体的做法是,在传统的相位重合检测之后,又用了两级长度游标的重合检测。这是针对有限的重合信号的脉宽以及对重合状态检测的分辨力问题而采用的。第一级游标的长度即两信号的延时差值是由两个信号之间实际检测线路的重合判断能力所决定的。而第二级游标对应的是重合检测所要求的边界分辨力,也就是期望的检测精度。所以,在两个信号严格重合的时候,直接的重合检测能获得重合检测信息。第一级游标后的重合检测获得的是接近于信号间重合的临界状态的重合检测信息;第二级游标后的重合检测则由于信号间经过差值延时之后过渡到非重合状态。因此,第二级游标后的延时差值是对于检测分辨力的反映。这样,全部的三个相位重合检测可以通过正、正、负的门选通线路判断和选出。当两个信号接近于重合的情况而偏离上述严格的重合情况时,就会不符合上述的正、正、负逻辑,这样也就把重合检测的分辨力大大的提高了。本方法实际上就是利用信号线路本身的稳定性、以及延时线路的边界的稳定度等实现了高的测量精度。