飞秒分辨率的频率测量和控制技术研究

The measurement and control of the time-frequency signal is the basic technology to ensure time standards developed in many technology fields such as the national defense, communication, navigation and positioning and so on. Now on the basis of the requirements of the frequency standard development, the project according to the time standards of present, such as Cesium, Hydrogen clock, using the regularity change characteristics of phase relationship between periodic signals, by means of the effective phase feature point and the signal processing capturing, it put forward that the frequency stability measurement with fs resolution can be realized through the phase processing technology. Meanwhile, the short-term stability measurement for the frequency standards can reach better than 1×10-14/s. As the feature that the frequency measurement resolution is greatly improved along with the extension of comparison time and the average inhibiting technology of the short-term noise , the measurement resolution is able to attain 1×10-18/d. The additional short-term instability of the output signal can achieve better than 2×10-13/1s, and the additional long-term instability can be better than 2×10-15/1d with the digital phase lock control technology for frequency standards.

时频信号的测量与控制是国防、通信、导航定位等技术领域发展的确保时间基准基础技术。本项目根据目前基准频标发展的要求，针对目前时间基准，如铯，氢钟的高稳定性，利用周期性信号之间的相位关系的规律变化特点，通过有效的相位特征点的捕获和信号处理，提出了通过相位处理技术，实现飞秒分辨率的频率稳定度测量。针对目前频标的短期稳定度测量实现优于1×10-14/秒的稳定度测量分辨率。针对频率测量的分辨率随着比对时间的延伸而大幅度提高的特点，以及对短期噪声影响的平均抑制技术实现1×10-18/天的测量分辨率。并通过数字锁相控制技术，针对频率基准，信号输出的附加短期频率不稳定度优于2×10-13/1s，附加长期频率不稳定度优于2×10-15/1d。

随着信息产业的发展，高精度频率及频率稳定度测量与控制在国民经济发展中的地位日益重要。各种频率源的使用量日趋增大，对基标准的建立和改进、测量方法和测量技术提出了越来越高的要求。经过多年的时频测控技术的研究，及与国内外同行的广泛交流，本项目提出了一种基于相位处理技术的高分辨率测量与控制技术，根据信号相位比对中相位重合检测分辨率的稳定性，通过对边沿模糊区的捕捉与处理，实现直接对任意高分辨率、相位连续的频率信号测量的方法。并以此为基础，发展出一种通过建立标称值相同的参考辅助信号，结合数字锁相技术，实现高分辨率锁相控制的方法。.本项目在深入理解信号间相位变化关系及相检宽带测频方案的基础上，将边沿效应提高测量分辨率的思想应用到频率测量中。在本项目的测频方案中，尝试对被测为复杂频率信号时对重合检测产生的离散模糊区直接处理，实现直接对任意频率信号的高分辨率测量，并将结果与基于采用DDS频率变换的测频方法进行了对比。本项目对相检宽带测频技术本身的特点进一步加以利用，通过无间隔闸门处理，实现了连续计数测量，并将闸门无间隔的相邻两次测量中包含的数据信息联系起来，通过引入理想参考信号的方式，实现了对被测信号相位信息的恢复以及信号间相位的长时间累积比对和控制。.本项目对实测数据进行分析验证，使频率基准的自校短期稳定度测量分辨率进入飞秒量级；对任意频率直接测量，使测量分辨率可以达到优于1E-12/s量级，从而实现了标称值不同信号之间的直接锁定。针对频率基准，锁定后信号输出的附加短期频率不稳定度优于2E-13/s，系统的长期稳定度指标进入1E-16/10000s。