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时间测量与频率测量

“时间”有两个含义,一个是指“时刻”;另一个是指“时间间隔”,即两个时刻之间的间隔。“时刻”表明某个事件何时发生;“时间间隔”表明这个事件持续多久。频率是在单位时间内重复出现的次数。时间和频率描述周期现象的两个不同侧面,在数学上互为倒数,即f=1/T。因此,时间和频率共用一个基准。

在许多科学技术领域中,如人造卫星和导弹的制导、测控、测速、定位和数字通信,甚长基线干涉等,都需要极准确地确定时间和频率。因此,时间和频率测量已经成为电子测量的一个重要方面。频率是最准确、最稳定的一个物理量,频率量值能通过电波传播直接传递到使用现场,精度可达10-12 ~10-14 。此外,随着激光技术、亚毫米波技术和约瑟夫逊结器件等的发展,长度和时间、频率在基准器上的统一已成为现实(见光频测量)。在时间频率测量中,时间与频率基准和各种标准参考频率源具有关键性的作用。在原子物理、量子力学和电子技术的发展基础上,基于微观粒子能级跃迁而构成的各种时间、频率标准已广泛应用于各科学技术领域。时间、频率标准按构成机理可分为石英晶体频标和量子频标两大类。石英晶体频标和量子频标中的铯原子束时间频率基准、氢脉泽、铷脉泽、光抽运铷气室频标等,都已得到广泛应用。其他如氢束、离子储存激光频标等,还处于研究阶段。

频率源的一个主要技术指标是频率准确度,即频率的实际值与标称值的相对偏差。通过频率值测量可以确定频率准确度。频率源的另一个主要技术指标,是频率稳定度,即频率值随机起伏的特性。频率稳定度测量,通常采用求出阿仑方差的时域测量方法和求出相对频率起伏谱密度与相位起伏谱密度的频域测量方法(见时域测量与频域测量)。

通过对时和校频,各地的时间频率标准可以在时刻和频率上保持一定的精度或符合度,这就是时间频率同步。时间频率同步技术发展很快,对精度的要求也越来越高,除了利用高频、甚低频、罗兰-C、电视、卫星和搬运钟等传统方法外,一些国家还在研究利用全球定位系统、静止轨道激光同步和航天飞机等时间同步的新方法(见时间同步与频率同步)。