时间频率计量“课题研究式”学习及实践

李阳 冯子峻 吴应发 胡梅 孟志军

[摘           要]  在“无线电计量”首次任职专业课中，时间频率计量是最基本也是最重要的计量项目。基于对时间频率计量的浓厚兴趣，在老师的指导下成立了时间频率计量课题研究小组，系统学习了时间频率计量知识，具体认识了时间频率的概念和特点，对国内外时间频率计量标准发展沿革和未来的发展趋势进行了分析和评述，熟悉了时间频率的计量方法，基于SR620时间频率计数器和Keysight 53520A时间频率计数器设计了时间频率测量实验，并对测量结果进行了分析。通过“课题研究式”学习和实践，收获了知识、增长了见识、锻炼了团队协作能力，取得了良好的学习效果。

[关    键   词]  时间频率;计量;“课题研究式”

[中图分类号]  G642                 [文献标志码]  A              [文章编号]  2096-0603（2021）31-0051-03

一、“课题研究式”学习方法和时间频率计量课题

“课题研究式”学习方法，一般指为探究某个课题，或解决某个问题所采取的一种资讯收集、专项调查、分析归纳、探讨研究的学习并解决问题的方法[1]。“课题研究式”学习中，通过较为系统、阶段性、持续地对具体问题进行研究或探究性学习，学生人人有自己的思维方式，有不竭的学习动力，有永恒的学习好奇心，有助于培养学生的收集整理信息能力、设计创新能力、科学研究能力、书面和口头表达能力，增强学生学习的自主性、协作性、创新性，从而达到新课程要求的三维目标[2]。在国内近十多年间，“课题研究式”学习方法被广泛应用于物理、化学及生物自然学科、数学、历史、英语、工科课程等各个领域，取得了良好的教学效果[3-5]。

“无线电计量”是测控技术与仪器专业的一门首次任职专业课，其中时间频率计量是最基本也是最重要的计量项目[6-9]。目前时间单位“秒”是7个国际单位制基本单位中最准确和最基础的，长度基本单位“米”的定义依赖于秒定义和光速（基本常数）导出，电学重要单位“伏特”可直接以频率定义，许多其他物理量，如距离、位移、加速度、温度、力等转化为时间频率来测量可提高测量准确度。这使在计量领域，时间频率计量成为保证许多测量值准确可靠的基础。我们在课外学习过程中，对时间频率计量产生了浓厚的兴趣，根据老师的指导，我们三人一组成立了时间频率计量课题研究小组，对时间频率的前世今生、应用发展进行了系统学习，并针对具体测量问题设计了实验测试，在学习和实践过程中取得了很大的收获。

二、时间频率概念和计量发展历程

计量为生产生活、科技进步提供了统一的单位制和准确可靠的量值，其中时间频率计量又显得尤为重要，大到航空航天发射测控和卫星导航系统建设，小到生活中的一次会见时间[10-11]。

（一）时间频率的概念和发展

人类对秒的认识和研究比较久远，大体上分为三个阶段：平太阳秒、历书秒和原子秒。平太阳秒是以地球自转周期为基础导出的时间基本单位，即以一个真太阳日的1/86400为真太阳秒，一年内真太阳秒的平均值作为平太阳秒;1960年出现了历书秒，即以1900年1月0日12时开始的一个回归年的1/31556925.974为历书秒，这种时间标准由于对星体准确位置观测上的困难，使秒长误差在10-9数量级;7年后，原子秒取代了历书秒，原子秒为铯-133原子在其基态两个超精细能级间在零磁场中跃迁时辐射震荡9192631770个周期所持续的时间[12]。

进入近现代以来，科学技术在进步，对秒复现的精度越来越高。世界上第一台热铯束钟是英国国家物理实验室于1955年研制完成的，精度达10-9;在英国之后相继有美国、德国、加拿大等国家研究成功，准确度也不断提高，至1995年首台铯原子喷泉钟建成时准确度等级达到了10-16量级。近年来，光钟的发展迅速，它利用原子或离子很窄的光学频率跃迁谱线，原子光钟精度达到了10-18量级，在国际上发展潜力最大、研究最多，未来有望对目前的“秒”重新定义和复现[13-14]。光钟已经成为当今时间频率领域的一个研究熱点。我国的光钟研究起步较晚。锶原子光晶格钟的研究于2006年正式启动，2015年独立研制完成国内第一台锶原子光晶格钟，评定的频率偏移不确定度为2.3×10-16。

我国的计量科学研究院从70年代起开始了热铯束钟的研究，第一代的国家秒长计量基准NIM3于1981年研制完成，相对频率不确定度可达3×10-13[15]，第二代秒长国家计量标准激光冷却铯原子喷泉钟NIM4于2003年初步完成研制，经改进后精度达5×10-15，2014年我国计量科学研究院研制成新一代的NIM5铯原子喷泉钟，不确定度等级达到1.5×10-15，经过改进以后将NIM5的不确定度等级提升至9×10-16，2020年又研制成新一代的NIM6铯原子喷泉基准钟，频率不确定度优于5.8×10-16，相当于5400万年不差1秒。

（二）时间频率计量标准简介及分类

频率标准指能给出较高准确度等级的单一频率值的正弦型振荡信号的装置，其频率值大都是1MHz，5MHz或10MHz。

计量标准由国家计量标准、参照计量标准组成，国家时间频率标准由铯原子束基准装置和原子时标基准钟两部分构成，二者之间通过时间频率比对装置相联系;参照计量标准是计量技术机构建立和保持的计量标准，用于检定或校准计量器具以进行量值传递，其由标准器、比较器、测量仪、数据处理器和核查标准五个部分构成[16-17]。