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构建中国准确独立的时间频率基准

2017-09-20

 时间单位秒是7个基本单位之一。时间频率的精密测量不仅可以验证前沿理论,也是卫星导航定位的技术基础。时频系统是现代国家的基础设施之一。导航精度的提高对时间频率提出了越来越高的要求。现行秒定义基于铯原子的基态能级跃迁频率。基准钟(秒长基准)直接复现秒定义,输出标准频率。原子时标利用商品钟连续运行,通过基准钟的驾驭,累积得到标准时间。

目前,我国的空间技术和国民经济的发展对时间频率的准确性、稳定性、可靠性都提出了越来越高的要求,科学技术的进步也给予了时间频率测量以新的推动力。建立我国自主秒长基准和时标基准,开展时间频率信号的测量比对和传递研究,形成独立自主的高性能时间频率系统成为了我国长远发展的迫切战略需求。中国计量科学研究院在国家重大基础研究专项“NIM5可搬运激光冷却-铯原子喷泉时间频率基准”(2003DIA7J030),总装装备技术基础项目“可搬运激光冷却-铯原子喷泉钟”(2004JL1024),国家质检总局科技计划项目“卫星双向法时间频率比对技术研究”(2010QK387)、“时间频率传递新技术研究”(2010QK369)、“原子时标基准能力建设研究”(2013QK032)和国家重大基础研究计划项目“光晶格锶原子光评标及与铯原子微波频率基准比对”(2010CB922902)的支持下,研制了中国新一代时间频率基准,包括秒长基准NIM5铯喷泉基准钟和原子时标基准UTC(NIM)。通过一系列的创新技术,指标比原有基准有了数倍的提高。2015年NIM5秒长基准通过了国际频率基准工作组的评审,与其它6国一起驾驭国际原子时,使得中国在国际原子时合作中不仅拥有话语权,而且具有了表决权。中国原子时标基准UTC(NIM)采用了全新整体方案,大幅提升了技术指标,成为参加国际原子时合作的守时实验室中具有最佳稳定度、最小偏差和最高权重的10个本地原子时标之一。 2017年1月9日,由中国计量科学研究院承担完成的“新一代国家时间频率基准的关键技术与应用”项目荣获2016年度国家科技进步一等奖。

项目研制的国家秒长计量基准NIM5铯喷泉基准钟独立复现秒定义,频率不确定度达到1.4×10-15,相当于2 000万年不差1秒,20天运行率优于99%。新建的原子时标系统时间稳定度优于1纳秒,与UTC的时差优于±10纳秒。NIM5和UTC(NIM)如图1 所示。

铯喷泉基准钟是目前国际上复现秒定义的主要手段,其研究不仅涉及高真空技术、激光技术、微波技术、精密机械加工等前沿技术,在对系统优化和频差评定中还涉及冷原子物理、相对论理论等新近科研成果,目前全世界只有少数先进实验室自行研制。NIM5的硬件包括物理真空、激光光学、微波频综和电控系统4个单元。各单元之间采用光纤或电缆连接,便于搬运。

原子时标由连续运行的原子钟组、内部测量系统及国际比对系统组成,通过算法驾驭保证时标的准确度与稳定度,通过国际比对实现时间频率量值的国际溯源并对国际原子时作贡献。原子时标系统庞大复杂,守时实验室需根据自身条件设计技术方案并予以实现。

项目组通过4项创新技术,改善了基准钟系统运行可靠性,降低了频移不确定度,优化了时标运行的稳定度,降低与UTC(NIM)与UTC的差。

创新点1:通过创新发明的磁光阱体实测-修磨技术和冷却光筒调校技术,实现了高效光学阻尼直接制备冷原子,得到了高信噪比的原子信号和高运行率。20天准连续运行率高于英、法、美、德等国家。

相比传统磁光阱的方法,利用光学阻尼制备冷原子云的体积大而密度低,碰撞频移小。在910年前,国内外主要研制单位都尝试用光学粘胶直接制备原子云。但由于光学粘胶对原子的俘获能力差,得到的冷原子数少,致使信噪比变差。目前普遍采用2D磁光阱装载光阻尼的方法。此种方法虽然可以得到更多的冷原子,但系统复杂,且原子云密度分布均匀性较差。直接用光学阻尼制备冷原子,又要求增加原子数,对装置硬件和调整要求高,实验难度大,到现在,只有美国NIST和该项目组成功实现。

项目组提出并成功实现了磁光阱体实测-修磨技术,搭建了高精度测角装置实测光学粘胶冷却光定位面的空间角度,依据测量结果手工修磨,保证6个冷却面相关空间角度和与垂直轴的误差均小于0. 5角分;通过自行研制的专用准直光筒调校装置,对光筒出射光轴相对于光筒安装面进行调校,误差小于0.5角分。上述方法即严格保证了冷却光束的空间角度,省去了繁琐困难的空间光路调整,而且比直接手调光路的角度不确定度低了5倍,同时使系统更加稳定,免去了后期的不断优化调整。为了得到高原子数,冷却光还需要大功率和60 兆赫大失谐。项目组采用注入种子光实现后冷却光要求的大失谐;冷却光单次通过声光调制器完成上抛光要求的频率失谐,光功率损失减少35%。项目组最先设计定做了单模-保偏光纤-光学集成1:3分束器。实验测试分束器偏振隔离度优于-20 dB,分光比稳定性的变化<0.5%/年。1:3光纤分束用于NIM5钟显著改进了可靠性和稳定性。国外当时普遍采用光学器件分光,6根光纤传光,用伺服控制补偿六根光纤注入效率变化。现在多数国家的喷泉钟都已采用项目组提出的1:3保偏光纤分束方案。物理系统的研制、准直光筒的调节系统和整体光路的设计,即保证了直接光学阻尼俘获原子方法的实现,得到了超低温度原子云( K)和高信噪比(S/N900)的跃迁几率信号。同时原子数波动和天-天波动小于3%,与美国标准技术院(NIST)的水平相当。同时此项创新技术的使用保证了系统运行的可靠性。从2014年1月起在国际《时间公报》 上发布的世界喷泉的运行故障如图2所示。NIM5连续运行20天故障率低于0.8%,与同期报数的喷泉钟相比最低。

 创新点2:研制微波干涉开关抑制微波泄漏,提出并实现“限域计算原子数”的新方法,降低泄露频率不确定度,搭建了实时微波相位波动测量平台监测Ramsey脉冲微波的相位波动,使得微波泄露频移不确定度优于1.0×10-16

原子应该只在两次Ramsey脉冲作用期间与锁定微波发生作用。如果在Ramsey腔外存在微波并和原子作用,则原子的跃迁几率会受到影响,从而产生频移。利用微波开关只在原子进入激励腔时开启微波,可以部分消除微波泄漏的影响。但普通微波开关存在相位抖动,恶化稳定度。项目组自行研制的微波干涉开关,将微波频率和一个100兆赫的射频信号混频得到钟跃迁频率,而关断100兆赫的信号后,微波功率衰减50 dB的同时对微波相位的干扰降低了2个数量级。但由于原子云的膨胀,下落原子云的尺寸超过了Ramsey微波腔上下截止波导的长度,使得干涉开关只能部分消除泄露微波的影响。项目组从物理机理入手,研究了激励微波腔上下部分的微波泄漏对原子跃迁的不同影响,揭示出在激励微波腔上方的这种微波泄漏频移在上升和下落过程中相互抵消,而在腔下方这种微波泄漏频移依赖于原子两次作用的平衡程度。实验结果与理论分析完全符合。在理论分析的指导下,通过优化干涉开关的时序和创新的飞行下落原子限域计算方法,将微波泄露引进的相对频率不确定度由1.4×10-15降至了小于0.1×10-15。这项工作体现了从实验问题到理论分析再到指导实验的典型研究过程。

采用干涉开关需要检查是否引进附加相位差。此相位差直接导致测量频差。项目组根据法国的方案,结合项目组的硬件系统搭建了微波相位波动测试平台。此平台可以检查微波干涉开关引入的频移,比较不同微波器件引进的相位噪声。同时,项目组实现了2个脉冲微波相位的相对变化的实时监测,获得了实时修正的新方法。

在2013年的欧亚首次喷泉钟比对中,NIM5与德国、俄罗斯和印度的喷泉钟的绝对频率偏差均小于1.1×10-15。2015年8月,国际基准钟工作组组长Jefferts博士年度工作报告中计算了自2008年以来向BIPM报数的喷泉与加权平均值的比对结果,NIM5的频率最接近所有喷泉钟的频率加权平均值。

创新点3:提出原子时标UTC(NIM)的建设新方案,创新性地提出了基于线性预估与卡尔曼滤波相结合的氢钟预测频率算法和长短期联合驾驭方法,实现了喷泉钟驾驭氢钟产生地方原子时,实现了UTC(NIM)与UTC的时差小于±10纳秒,时间稳定度优于1纳秒。

项目组结合国际先进经验及自身积累,根据中国计量科学研究院具体条件,提出了原子时标整体全新建设方案,实践证明,该方案具有先进性,显著提升了时标基准的技术性能。

原子时算法对于一个时标的性能至关重要,自由运行的原子钟准确度在10-13量级,要使时标准确度达到10-15量级,必需通过原子时算法对其进行驾驭。长期以来,国际守时实验室一直多采用铯原子钟守时,国际计量局(BIPM)在UTC的计算中,铯原子钟一直占有更大权重。项目组经深入研究,认为氢原子钟具有更好的可预测性,在2009年选用氢原子钟代替铯原子钟作为主钟,创新性地对氢原子钟频率采用线性预估与卡尔曼滤波相结合的算法进行预测,确定最佳拟合长度,最大限度降低了预测误差。2012年BIPM公布其研究成果,确认一台好钟是可预测的钟,氢原子钟将在守时中发挥更大作用,并在UTC算法中提高了氢原子钟的权重。

为了进一步提高UTC(NIM)的准确度与稳定度,项目组创新性地采用了BIPM每月公布一次的时间公报(Circular T)与每周公布一次的快速UTC(UTCr)数据相结合的驾驭方法,提高了UTC(NIM)的长期和中短期稳定度,同时实现了喷泉钟驾驭氢钟产生地方原子时,对于建设我国独立自主的时间频率体系具有重要意义。项目完成后UTC(NIM)总体技术指标与国际实验室的比较见表1。UTC(NIM)性能比较见图3。

表1 UTC(NIM)与国内外时标的比较(2012.10.14—2013.6.26)

 

实验室

时间稳定度/5天

时刻偏差(rms)

频率偏差(rms)

频率稳定度/5天

NIST(美国标准技术院)

0.29 ns

11.3 ns

2.9E-15

1.2E-15

USNO(美国海军天文台)

0.34 ns

2.4 ns

1.7E-15

1.5E-15

PTB(德国物理技术院)

0.46 ns

1.5 ns

1.6E-15

2.0E-15

IT(意大利计量院)

0.46 ns

6.7 ns

3.0E-15

1.9E-15

NIM(中国计量院)

0.54 ns

6.1 ns

3.0E-15

2.2E-15

SU(俄罗斯计量院)

0.61 ns

5.3 ns

3.2E-15

2.4E-15

NICT(日本通信院)

0.68 ns

10.8 ns

4.0E-15

2.7E-15

NTSC(中科院授时中心)

1.93 ns

6.4 ns

9.0E-15

7.9E-15

 

创新点4:实现了自主校准时间传递链路并得到BIPM认可,将传递标准不确定度减小到5纳秒,实现了异地时间基准的同步切换;研制开发了GNSS时间频率传递接收系统和方法,实现了欧亚多台铯原子喷泉频率基准的直接比对。

时间传递链路是时间传递的核心部分,只有完成了链路校准才能实现真正的精密时间传递。参加TAI的各守时实验室首要工作就是完成该实验室的TAI时间传递链路的校准,其直接决定了UTC(NIM)向UTC溯源的不确定度,此校准通常由BIPM对链路两端的时间传递设备分别校准实现,如不校准,UTC(NIM)的标准不确定度将为20 纳秒。项目组自主研制了GNSS时频传递系统,验证了它的性能,提出了基于此系统的链路整体校准方案,校准了国家原子时标新守时系统内的三套时频传递装置与UTC的时间传递链路,并完成了校准报告,该向BIPM提交后得到认可,UTC(NIM)的标准不确定度降低为5 纳秒,以此为基础实现了新旧时标的稳定切换。

自主研究实现了GNSS时间频率传递接收机,提出了基于浮点模糊度解算的已知定点单差模型,实现了不确定度指标优异的长距离时间频率传递方法GPS载波相位时间频率传递技术,并于2013年5月综合利用GPS载波相位和卫星双向时间频率传递法,研究设计了比对方案如图4所示,成功主导实现了欧亚4国6台铯原子喷泉钟的比对,在数据处理过程中,完善了喷泉钟比对的不确定度评定方案,得到参比实验室认可,比对不确定度优于2×10-15,喷泉钟的比对结果符合各自自评估结果,验证了方法的有效性。

项目实施过程中,中国计量科学研究院研制了2项国家基准装置。同时中国计量科学研究院积极推进成果的推广应用,建设计量院昌平院区与北京卫星导航定位中心的光纤链路和与其它单位的光纤链路,通过光纤链路将计量院优质的时频资源与社会共享,保证时间频率的量值准确、统一。除了参加国际原子时合作、对国际标准时间的产生作出贡献外,NIM5 喷泉钟和 UTC(NIM)原子时标还在国内基础科研、经济社会发展和国防建设中发挥了重要支撑作用。自 2012 年 10 月至今,一直为中央电视台提供时间溯源校准,保证其发布的时间统一准确。通过 GNSS 比对链路、高保真伺服锁定的光纤链路,或者直接比对等多种方法,为北京卫星导航中心、中国科学院武汉物理与数学研究所、清华大学等多家单位、科研院所和高端企业提供时间频率的量值溯源、校准和比对,满足了其对高准确度时间频率的需求。中国计量院的NIM5 喷泉钟和 UTC(NIM) 原子时标为世界协调时作出中国应有的贡献。