光钟性能表征及测量方法

ICS17.040.30

A57

中华人民共和国国家标准

GB/TXXXXX—XXXX

光钟性能表征及测量方法

Methodtocharacterizeandmeasuretheperformanceofopticalclocks

(点击此处添加与国际标准一致性程度的标识)

（征求意见稿）

（本草案完成时间：2023年3月12日）

在提交反馈意见时，请将您知道的相关专利连同支持性文件一并附上。

XXXX-XX-XX发布XXXX-XX-XX实施

GB/TXXXXX—XXXX

前言

本文件按照GB/T1.1-2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起

草。

本文件由全国量子计算与测量标准化技术委员会（SAC/TC587）提出并归口。

本文件起草单位：中国计量科学研究院、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院、中国科学技

术大学、航天二院北京无线电计量测试研究所、中国信息通信研究院、航天五院钱学森空间技术实验室、

国仪量子（合肥）技术有限公司、深圳中国计量科学研究院技术创新研究院、济南量子技术研究院、北

京长城计量测试技术研究所。

本文件主要起草人：

II

GB/TXXXXX—XXXX

光钟性能表征及测量方法

1范围

本文件规定了表征光钟性能的重要参数及其测量方法，适用于光钟技术研究、产品研制和测试考核

过程中的性能评价。

本文件所提到的光钟指的是被动型光频原子钟，主动型光钟的性能表征及测试方法可参考本文件。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T27418-2017测量不确定度评定和表示

JJF1180-XXXX时间频率计量名词术语及定义

ISBN：9787030448903计量学名词.XXXX，对应的国际文件为国际计量局发布的theInternational

VocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology的最新版本

GB/TXXXX-XXXX精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法

IEEEStd1139-2009基本频率和时间计量随机不稳定性物理量定义（IEEEStandardDefinitions

ofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyandTimeMetrology—RandomInstabilities）

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

不确定度uncertainty

利用可获得的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。

[GB/T27418-2017测量不确定度评定和表示]

3.2

频率稳定度frequencystability

描述取样时间内平均频率随机起伏程度的量。不同取样时间对应不同的稳定度量值。一般在时域用

对应取样时间的阿伦标准偏差表征，在频域用偏离载波一定带宽的相位噪声表征。

[参考JJF1180-XXXX时间频率计量名词术语及定义，有修改]

注：1、频率稳定度与频率不稳定度（frequencyinstability）表达的是频率信号的同一个特性。2、为了便于比较不同

类型频率源的特性，常用相对频率稳定度来表征频率源的频率稳定度。相对频率稳定度定义为频率稳定度除以频率源的

中心频率。

3.3

频率准确度frequencyaccuracy

频率的测得值与其真值之间的一致程度。

[theInternationalVocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology，计量学名词]

1

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注：1、真值是表示与这个量的定义相一致的值。

2、频率准确度有时也指频率的测量值与标称值之间的一致程度。

3、在一般计量术语中，准确度不是一个数量，不能表示为一个数值，但是在时间频率计量领域，频率准确度往往

跟频率不确定度（frequencyuncertainty）描述的是同一个特性。

3.4

阿伦标准偏差Allandeviation

又称双取样偏差，是阿伦方差（双取样方差）的平方根。时长为的相邻两个取样时间内频率平均

值之差的平方取二分之一为阿伦方差。阿伦标准偏差要求相邻的频率测量数据之间没有死时间

（deadtime，指在按时间顺序测量频率数据的过程中，存在不对频率进行测量的无效时间）。

利用个频率测量数据计算公式为：

···················································································(1)

式中：

—阿伦标准偏差；

—取样时间；

—平均频率偏差；

—取样个数。

利用个相位测量数据（以时间为单位）计算公式为：

·································································(2)

式中：

—阿伦标准偏差；

—取样时间；

—相位差；

—取样个数。

[IEEEStd1139-2009IEEEStandardDefinitionsofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyand

TimeMetrology—RandomInstabilities]

3.5

重叠阿伦标准偏差overlappingAllandeviation

阿伦标准偏差的另一种表征方法，利用重叠采样测量数据增强阿伦标准偏差的置信度。

利用个频率测量数据计算公式为：

2

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·············································································(3)

式中：

—重叠阿伦标准偏差；

—取样个数；

—取样时间，；

—平均因子；

—基本取样间隔；

—平均频率偏差。

或者利用个相位数据计算，计算公式为：

·······················································(4)

式中：

—重叠阿伦标准偏差；

—取样个数；

—取样时间，；

—平均因子；

—基本取样间隔；

—相位差。

3.6

光学频率梳opticalfrequencycomb

通过精密控制飞秒脉冲激光器的重复频率和载波包络偏移频率的激光系统，其在时域上表现为等间

隔的脉冲序列，在频域上表现为等间隔的频率梳齿。

[GB/TXXXX-XXXX精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法]

3.7

自比对self-comparison

自比对也叫自比较，指利用同一台光钟的硬件系统，把光钟的运行时间序列分为多个锁定运行状态，

或者把位于不同空间位置的量子参考作为多个运行状态，由于不同的运行状态下光钟系统运行参数不

同，从而导致光钟锁定频率有差别，这种测量同一台光钟在多个不同运行状态下频率差的方法被称为自

比对。

4光钟的分类和组成

4.1光钟基本原理和组成

3

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光钟又被称为光学频率标准，是利用频率在光学波段的原子（离子）能级跃迁作为稳定的频率参考

而建立的原子钟。光钟的工作原理：光学本地振荡器发出具备良好短期频率稳定度的激光，激发量子参

考体系中的量子跃迁，通过探测系统测量跃迁几率，计算光学本地振荡器输出激光频率与量子参考频率

之间的频率偏移，锁定控制光学本地振荡器输出的激光频率，实现光钟的输出频率与量子参考频率一致。

光钟一般按照量子参考体系制备、钟跃迁探测、跃迁几率测量、频率误差计算、伺服锁定控制等步骤依

照时序控制循环运行。光钟主要包括光学本地振荡器、量子参考体系、锁定系统和输出系统等组成部分，

如图1所示。

图1光钟的基本组成

4.2光钟的分类

目前国际上已成功研制并运行的高准确度被动型光钟，主要可分为两类：基于单个离子的离子光钟

和基于中性冷原子气体的光晶格原子钟。前者用离子阱囚禁单个离子作为量子参考，具有系统频移小、

频率准确度高的特点；后者则采用激光形成的驻波场（即光晶格）囚禁中性原子建立量子参考，原子数

量多，具有稳定度高的特点。

4.3光钟的组成

光学本地振荡器（OpticalLocalOscillator），为探测量子参考跃迁提供频率稳定的探测激光，

为光钟提供短期的频率稳定度。传统上，采用具有低膨胀系数的ULE超稳腔作为钟激光预锁定的参考腔，

结合PDH稳频技术可使钟激光的秒稳定度可达E-16量级。基于低温单晶硅参考腔的技术，可使钟激光的

秒稳定度得以进入E-17量级。

量子参考体系，利用原子/离子等稳定的能级跃迁作为标准频率参考。常见的单离子参考体系有：

、、、、、等；常见的多个中性原子参考体系有：、、

、、等。

锁定系统是光钟的信号探测及伺服反馈系统，用于探测量子参考的跃迁几率，计算光学本地振荡器

输出激光频率相对于量子参考频率的频率偏移，修正钟激光的频率，使其稳定在量子体系参考频率上，

实现光钟闭环运行。

输出系统是用来把光钟得到的高稳定、高准确的频率信号输出给用户的子系统。光钟输出频率的长

距离传输需要采用复杂的频率传递系统，这些传递系统应作为光钟应用的辅助系统，而不是光钟自身的

子系统。

4.4光钟的功能

光钟的主要功能是输出高稳定、高准确的光学频率信号，从而作为高性能的时间频率基准。为了能

够满足最终用户的各种使用需求，光钟往往需要配置高性能的输出系统。输出系统一般包含两种能力，

4

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一种是频率域的频率变换能力，可实现光钟输出的特定参考光学频率，向其他光学频率或者微波频率转

换，并且最大限度保证不损失光钟的稳定度和准确度；第二种是空间域的传递能力，可实现光钟输出的

频率信号跨越空间距离传递到最终用户，而不损失光钟的稳定度和准确度。用户的需求往往需要这两种

输出能力结合起来。光钟输出频率的长距离传输不作为光钟自身的功能要求。

4.5光钟的运行环境要求

想要实现一台高稳定度、高准确度的光钟运行，要求对所处的实验环境进行精密地控制，包括温度、

湿度、振动、电磁场等环境因素。

温度环境对光钟运行的影响，主要表现在超稳腔的锁定和黑体辐射频移两个方面。（1）超稳腔的

腔长与温度有关，超稳腔腔体温度与外界环境温度存在耦合。无论是常温ULE材料还是低温单晶硅材料

的超稳腔，都需要对腔体的温度进行控制，得到低频率噪声的钟激光。（2）原子所处位置的环境温度

不是绝对零度，因此会产生黑体辐射频移。原子所处环境的温度与光钟系统所处外界环境温度有关，因

此光钟运行需要一个稳定的外界温度环境，有利于提高光钟输出频率的稳定性和准确性。

湿度对光钟的影响主要体现在对光钟复杂激光光学系统的影响上。光学元件不能凝结水，同时应该

避免霉菌生长，因此需要稳定干燥的实验环境。

振动对光钟运行的影响，主要表现在超稳腔的频率锁定上。实验室的振动环境，影响着超稳腔锁定

后的频率噪声，需要对腔体进行振动噪声免疫设计和隔振处理。首先，在腔的设计上要通过有限元设计

的方法优化腔体和支撑结构，使得腔本身对振动噪声的敏感度最小；其次，要尽可能地选择振动噪声较

小的运行环境；最后，通过被动隔振及主动隔振的方式，进一步减小外界环境传递到腔体上的振动噪声，

从而得到低频率噪声的钟激光。

电磁场对光钟的影响，主要表现在系统频率偏移上。磁场的存在，会引入塞曼效应的影响，产生塞

曼频移量；电场的存在，会引入斯塔克效应的影响，产生斯塔克频移。同时，在中性原子的光晶格原子

钟中，光晶格光场的电场分量也会产生斯塔克效应频移。因此，为了提高光钟的稳定性，需要控制磁场

抖动与漂移、电场的抖动与漂移、光场的抖动与漂移等。

工作环境温度范围为：18℃~28℃

工作环境湿度范围为：30%~80%

工作环境振动环境：满足XXXX标准中NIM-5~NIM-3的要求

5光钟性能表征

5.1频率稳定度

5.1.1概述

光钟的频率稳定度一般用时域上的重叠阿伦标准偏差来表征。在未说明时，默认为相对频率稳定度。

5.1.2利用一台光钟测量得到的频率稳定度

5.1.2.1环内频率稳定度

5.1.2.1.1概述

由光钟闭环锁定伺服器输入的频率误差信号计算的频率稳定度或者由锁定伺服器输出的频率修正

信号计算的频率稳定度。

5.1.2.1.2测量方法

在光钟正常闭环锁定运行时，记录锁定伺服器输入的频率误差信号或锁定伺服器输出的频率修

正信号。

5

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5.1.2.1.3计算方法

把或者序列代入重叠阿伦标准偏差公式计算得到。

5.1.2.1.4适用场合

环内频率稳定度仅用于对光钟锁定能力进行评估，表征了伺服器跟踪光钟量子参考频率的能力，不

反映量子参考的任何特性，不能用于表征独立光钟输出频率的稳定度。由于频率锁定伺服器内部的积分

效应，或者序列中的相邻频率数据不独立，因此该稳定度呈现的斜率大于。

5.1.2.2分时间交替自比对频率稳定度

5.1.2.2.1概述

简称分时自比对稳定度，采用时分复用的方法，利用同一台光钟的物理系统，从运行时间序列上把

光钟分为多个锁定运行状态来进行自比对得到的差分频率稳定度。

5.1.2.2.2测量方法

光钟在运行时间序列上分为两个锁定运行状态，分别为状态a和状态b；被调制参数在状态a时取值

为，在状态b时取值为；状态a的锁定伺服器为，状态b的锁定伺服器为。在状态a的阶段，

把钟激光频率锁定到原子跃迁上，伺服执行器的输出量为，因此光钟输出频率为

；在状态b的阶段，把钟激光频率锁定到原子跃迁上，伺服量为，

因此光钟输出频率为。利用钟激光频率作为飞轮，认为，则单

次测量的分时间交替自比对频率差为

···············································································································(5)

测量方法如图2所示：

图2分时间自比对示意图

重复此运行序列，得到分时间交替自比对频率差序列，其中为自比对测量次数。

5.1.2.2.3计算方法

·····································································································································(6)

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其中，为将代入重叠阿伦标准偏差公式计算得到计算结果，为分时间交

替自比对频率稳定度。

相对稳定度表示为

································································································································(7)

为光钟输出的绝对频率。在绝对频率未测量时，取国际参考值。

5.1.2.2.4适用场合

分时间交替自比对能够测量不同运行参数对原子钟频率的影响，用于光钟系统频移不确定度的评

估。可以评估的参数包括：原子密度、光晶格激光功率、静电场强度、钟跃迁探测光激光功率等。

分时间交替自比对频率稳定度测量是以钟激光作为飞轮，仅能反映钟激光频率满足

条件的时间（上限约为10~100s）内光钟输出频率的稳定度，不能用来表征这台独

立光钟输出频率的长期稳定度。

5.1.2.3分空间自比对稳定度

5.1.2.3.1概述

量子参考系统由多原子（离子）组成的光钟，在空间位置上把同一台光钟的量子参考分为多个部分

作为不同的运行状态来进行自比对得到的差分频率稳定度。

5.1.2.3.2测量方法

光钟囚禁多个原子（离子）作为量子参考，这些原子（离子）位于空间上的不同位置。利用阵列探

测器通过成像的方法探测量子参考，得到位置a和位置b的量子参考在同一钟激光脉冲激发下的跃迁几率

和，代入公式

············································································································································(8)

其中为跃迁几率，为实验中得到的量子跃迁线宽，为量子跃迁谱线的对比度。

计算出不同位置量子参考相对于钟激光频率的频率差和，则单次测量的分空间自

比对频率差为

··················································································································(9)

重复此运行序列，得到分空间交替自比对频率差序列，其中为自比对测量次数。

5.1.2.3.3计算方法

同5.1.2.2.3

5.1.2.3.4适用场合

分空间自比对能够测量不同运行参数对原子钟频率的影响，用于光钟系统频移不确定度的评估。可

以评估的参数包括：原子密度、光晶格激光功率、磁场强度、量子参考尺寸内的相对论红移等。

分空间自比对频率稳定度利用同一钟激光脉冲激发不同部分的量子参考，排除了钟激光噪声的影

响，测量稳定度最佳时可以达到量子投影噪声极限。同样是由于排除了钟激光噪声的影响，分空间自比

对频率稳定度不能用来表征这台独立光钟输出频率的稳定度。

5.1.3利用两台光钟比对测量的频率稳定度

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5.1.3.1完全独立的两台同种光钟直接拍频的频率稳定度

5.1.3.1.1概述

两台光钟基于同一种量子参考，并且没有共用的部件，通过直接拍频的方法测量两台光钟的频率差，

计算得到的频率稳定度。

5.1.3.1.2测量方法

对于完全独立的两台同种光钟，由于输出的光学频率在同一个光学频段，通过直接拍频进行光钟频

率稳定度的评估。

通过直接对两台光钟闭环锁定后的输出激光进行拍频测量，拍频信号通过高速光电探测器探测，经

放大滤波后输入频率计数器，并利用频率计数器来记录两台光钟输出钟激光的频率差。具体测量方法如

图3所示：

图3完全独立的两台同种光钟测量方法

两台光钟由两台钟跃迁探测激光分别探测。如上图所示，钟跃迁探测激光1分为两路，分别进入两

个声光调制器1和2实现频率的调节。声光调制器1将钟跃迁探测激光1的频率调节至原子/离子的钟跃迁

频率附近，用来探测原子/离子的若干条钟跃迁谱线，得到的误差信号反馈至声光调制器2，使得经过声

光调制器2之后的光的频率接近或等于原子/离子钟跃迁频率。同理，用钟跃迁探测激光2去探测光钟2，

经过声光调制器4之后的光的频率接近或等于原子/离子钟跃迁频率。而后，将这两束光拍频，并用高速

光电探测器测量两束光的频率差。为了准确读出拍频值，光钟1反馈回路的频率值需要与一个固定频率

（例如1MHz）的信号发生器混频，混频后的信号驱动声光调制器2，这样最终的拍频信号频率在信号发

生器输出频率附近，否则两台光钟的拍频值在0Hz附近无法计数测量。拍频信号经过放大器和滤波器之

后，信号输入到频率计数器，设置好计数器的门时间（例如1秒）并读出频率值。为了减小测量仪器

带来的额外测量偏差，信号发生器与频率计数器需要接外部频率参考。

5.1.3.1.3计算方法

在得到两台光钟输出激光频率的拍频频率差后，代入重叠阿伦标准偏差公式计算。

当两台光钟为性能相近的光钟时，单台光钟的稳定度表示为公式（10）

···································································································································(10)

式中：

—通过频差fd计算得到的重叠阿伦标准偏差；

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—被测光钟的稳定度。

当两台光钟其中一台为被测光钟，而另一台光钟为参考光钟，则被测光钟的稳定度为公式（11）：

··········································································································(11)

式中：

—通过频差fd计算得到的重叠阿伦标准偏差；

—已知参考光钟稳定度。

—被测光钟的稳定度。

相对稳定度表示为

·······························································································································(12)

为光钟输出的绝对频率。在绝对频率未测量时，取国际参考值。

5.1.3.1.4推荐适用场合

对于两台同种光钟，有条件做到使用独立两台钟跃迁探测激光器的，推荐采用独立两台钟激光进行

频率稳定度的评估。相较于两台光钟共用钟跃迁探测激光器的情况，采用独立两台钟激光进行频率稳定

度的评估结果排除了激光器频率漂移引起的伺服误差以及Dick效应等共模噪声抑制因素，能更真实地反

映光钟输出频率的实际频率稳定度及准确度。

5.1.3.2共用光学本地振荡器的两台同种光钟之间的异步比对频率稳定度

5.1.3.2.1概述

两台光钟基于同一种量子参考，共用同一台光学本地振荡器作为钟跃迁探测激光器，采用不同步探

测量子跃迁的方法，通过比较锁定伺服器输出频率的方法测量两台光钟的频率差，计算得到的频率稳定

度。

5.1.3.2.2测量方法

对于不完全独立，共用钟跃迁探测激光器的两台光钟，将共用的钟跃迁探测激光器分为两束，通过

两个独立的锁定伺服器将两束激光器的频率分别锁定到两台光钟的原子/离子钟跃迁上。通过控制两个

锁定伺服器的时序，使两束激光探测两台光钟的原子/离子钟跃迁的时间不同步。通过直接比较锁定伺

服器输出频率的差值，得到两台光钟的频率比对数据。两套光钟的探测光时序如下图4所示，高电平

代表探测光同原子/离子的作用时间，其中(a)和(b)两种情况都表示不同步。

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图4异步比对探测光时序

5.1.3.2.3计算方法

同5.1.3.1.3

5.1.3.2.4推荐适用场合

对于两台同种光钟，没有条件做到使用独立两台钟跃迁探测激光器的，只能共用钟跃迁探测激光器

来完成光钟频率稳定度的评估，推荐采用不同步测量的方式。相较于大幅消除了Dick效应引起的共模噪

声的同步测量方案，不同步测量能更真实地反映光钟的频率稳定度。

5.1.3.3共用光学本地振荡器的两台同种光钟之间的同步比对频率稳定度

5.1.3.3.1概述

两台光钟基于同一种量子参考，共用同一台光学本地振荡器作为钟跃迁探测激光器，采用同步探测

量子跃迁的方法，通过比较锁定伺服器输出频率的方法测量两台光钟的频率差，计算得到的频率稳定度。

5.1.3.3.2测量方法

对于不完全独立，共用钟跃迁探测激光器的两台光钟，将共用钟跃迁探测激光器分为两束，通过两

个独立的伺服链路将两束激光器的频率分别锁定到两台光钟的原子/离子钟跃迁上。通过控制两个伺服

的时序，使两束激光探测两台光钟的原子/离子钟跃迁的时间完全同步。通过直接比较两个锁定伺服器

输出的频率差，得到两台光钟的频率比对数据。两套光钟的探测光时序如图5所示，高电平代表探测

光同原子/离子的作用时间。

图5同步比对探测光时序

5.1.3.3.3计算方法

在得到两台光钟输出激光频率的拍频频率差后，代入重叠阿伦标准偏差公式计算。

5.1.3.3.4推荐适用场合

相较于完全独立的两台同种光钟的频率比对以及不完全独立、共用钟跃迁探测激光器并采用不同步

测量，共用钟跃迁探测激光器并采用同步测量的方案很大程度上消除了由激光器频率漂移引起的伺服效

应及Dick效应等共模噪声，结果一般优于光钟真实的频率稳定度。但这并不代表光钟输出频率的稳定度

得到了提升，只提升了光钟比对的稳定度。在利用光钟比对实现某些物理量测量及基本物理定律检验等

实验中，推荐采用该比对方法，能在相同的测量时间内减少测量和检验不确定度，适用场合包括光钟中

某些系统频移的测量和评估、广义相对论的检验、测量基本物理常数是否随时间变化等。

5.1.3.4完全独立的两台不同种光钟比对的频率稳定度

5.1.3.4.1概述

两台光钟基于不同种类的量子参考，而且各自的本地振荡器没有共用频率参考，利用光学频率梳进

行光学频率传递，得到两台光钟的虚拟拍频，利用虚拟拍频计算得到的频率稳定度。

5.1.3.4.2测量方法

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完全独立的两台不同种光钟，其输出频率不同，分别为和，频差远高于光电探测器的频

率响应范围，无法通过直接拍频的方式进行频率差测量。利用光学频率梳作为光学频率传递的手段，把

其中一台光钟的输出频率转换到第二台光钟的光学频率附近为，此时频差落到光电探测器

的频率响应范围内，得到两台光钟的虚拟拍频。测量方法如图6所示。

图6完全独立的两台不同种光钟比对示意图

5.1.3.4.3计算方法

同5.1.3.1.3

5.1.3.4.4适用场合

完全独立的两台不同种光钟比对的频率稳定度，能够真实反映光钟独立输出频率的性能，适用于光

钟整体性能的评估、某些系统频移的测量和评估、基本物理常数随时间的变化测量等场合。

5.1.3.5共用光学本地振荡器的两台不同种光钟比对的频率稳定度

5.1.3.5.1概述

两台光钟基于不同种类的量子参考，共用同一台光学本地振荡器，利用飞秒光梳进行光学频率传递

与比对。飞秒光梳进行光频传递的方式上，分为三种情况：1、光学本地振荡器的频率对应于其中一台

光钟的原子跃迁频率，利用光梳把光学本地振荡器的频率传递给另一台光钟的钟跃迁探测激光；2、光

学本地振荡器的频率不对应任何一台光钟的原子跃迁频率，利用光梳把光学本地振荡器的频率传递给两

台光钟的钟跃迁探测激光；3、光学本地振荡器的频率对应于第一台光钟的原子跃迁频率，第一台光钟

锁定后，利用飞秒光梳把第一台光钟的锁定输出频率转换给第二台光钟的钟跃迁探测激光。在比对方法

上，仍然存在同步比对和异步比对的形式。在此标准中，不再对这些测试条件具体分开讨论，请参照前

述其他相近情况采用相应的测试方法和计算方法。共用光学本地振荡器的两台不同种光钟比对，主要目

的是为了测量两种光钟的频率比值，通过共用本地振荡器，能够减小本地振荡器带来的伺服噪声和Dick

效应噪声，或者通过同步比对的方法消除本地振荡器的影响，目的都是为了缩短两种光钟比值的测量时

间。

5.2频率准确度

5.2.1概述

在光钟性能表征中，频率准确度包含系统频移不确定度和绝对频率不确定度两个方面。

5.2.2分类

5.2.2.1系统频移不确定度

5.2.2.1.1概述

光钟输出频率与未受干扰的光钟原子跃迁频率之间频率偏移量的不确定度，一般用相对不确定度来

表示。

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由于各种外界噪声的存在，原子不可能处于完全未受干扰的条件下，因此其输出频率相对于未受干

扰的理想值之间会出现一个频率偏移，这个偏移量被称为系统频移。对系统频移进行测量时，会引入测

量不确定度，这个测量不确定度被称为系统频移不确定度。

5.2.2.1.1测量方法

造成光钟系统频移的因素有很多，如外界热环境造成的黑体辐射频移、外界磁场造成的塞曼频移等。

各种系统频移的测量方法，一般是先要根据物理模型确定该项频移与系统参数之间的敏感度，然后监测

该项系统参数，利用模型计算得到系统频移量及其不确定度。光钟总的系统频移不确定度由各项不确定

度分量采用不确定度合成的方式得到的合成标准不确定度来表示。在测量光钟的某些系统频移时，往往

会用到前面提到的分时自比对或者分空间自比对的方法。

5.2.2.1.3计算方法

系统频移的计算中，不同的系统频移及其不确定度的计算方式会有所区别。一般地，取该项频移测

量的平均值作为测量值的期望，平均值的不确定度作为该频移得不确定度。得到各项频移的不确定度后，

对各项不确定度进行合成。当各项不确定度不相关时，系统不确定度可以表示为

························································································································(13)

其中，分别为光钟各分项系统频移的不确定度。

5.2.2.1.4适用场合

光钟的系统频移不确定度表征的是光钟独立复现其理想值的能力，是在不与其他原子钟比对测量的

情况下衡量光钟自身准确度的重要参数。在需要与其他原子钟进行比对时，光钟的系统频移不确定度作

为该光钟的不确定度B类评定参与总不确定度的合成。

5.2.2.2绝对频率的不确定度

5.2.2.2.1概述

光钟的输出频率溯源到现有秒定义的过程中所产生的总测量不确定度。

光钟的绝对频率，以指以赫兹为单位表示的光钟的输出频率，而赫兹是由秒定义确定的，因此为了

获得光钟的绝对频率，需要把光钟的输出频率与秒定义中的原子跃迁频率进行比值测量而得到。而且，

秒定义基准钟复现秒定义的不确定度是这个比值测量中的一个不确定度分量，因此在目前以铯原子为基

础的秒定义下，光钟绝对频率测量的不确定度不会超过最好的铯原子基准钟的频率不确定度。

5.2.2.2.1测量方法

目前的秒定义是基于铯原子跃迁的，因此为了测量光钟的绝对频率，需要测量光钟输出频率与铯原

子跃迁的频率比值。得到光钟的绝对频率有三种方法。第一种方法，是把光钟的输出频率通过光学频率

梳直接与铯原子基准钟进行比对而得到光钟的绝对频率及其不确定度，铯原子基准钟可以是本地的，也

可以是通过时间频率传递链路连接的远程铯原子基准钟。第二种方法，是把光钟的输出频率与基于秒的

次级表示原子跃迁而建立的频率标准进行频率比值测量，利用国际时间频率咨询委员会推荐的秒的次级

表示频率值和不确定度，间接计算得到光钟输出频率与铯原子跃迁频率的频率比值及其不确定度。第三

种方法，如果被测光钟的参考原子跃迁是目前的十条秒的次级表示光频原子跃迁之一，则可以直接利用

国际时间频率咨询委员会推荐的秒的次级表示原子跃迁推荐值及其不确定度，与该被测光钟的系统频移

不确定度合成，从而得到被测光钟的绝对频率及其不确定度（仅包含不确定度的B类评定）。

5.2.2.2.3计算方法

光钟的绝对频率测量中包含多个量值传递、比值测量以及频移修正环节，需要分别将各个环节引入

的不确定度按照不确定度合成公式进行合成，从而得到光钟绝对频率的不确定度。光钟系统频移不确定

度是光钟绝对频率不确定度的一个分量。在光钟绝对频率测量过程中，如果采用通过卫星链路远程溯源

12

GB/TXXXXX—XXXX

到国际时间频率公报中的基准和秒的次级表示频率标准钟组时，一定要考虑光钟不连续运行带来的非有

效运行时间造成的频率测量不确定度。

5.2.2.2.4适用场合

光钟绝对频率的不确定度表征的是光钟复现的光频原子跃迁频率在现有国际单位制下的量值，是需

要与秒定义基准进行比值测量才能得到的一个准确度参数。在以光钟作为频率参考驾驭国际原子时或者

本地时标、以异地光钟频率比对得到的频差来计算相对论红移、作为秒的次级表示频率标准向其他时频

系统传递量值等场合，需要用到光钟的绝对频率及其不确定度。

5.3运行率

5.3.1概述

运行率是指在给定的一段时间内，光钟能够给出正常频率输出量值的时长与该段时间总时长的比

值。或是在某个考察时间段内，光钟能够给出正常频率输出量值的概率或时间占有率的期望值。可以用

月运行率、年运行率等来具体表征。

5.3.2测量方法

约定光钟运行率测量的起止时间，总时长为T。在这段时间内，光钟按约定的条件运行（比如可以

约定是否允许人工干预光钟的锁定）；在测量时间结束后，测量光钟能够给出正常频率输出量值的时间

t。注意，光钟能够给出正常频率输出量值的时间，是指光钟的各项系统频移修正所需的参数均准确完

整的采集到，并且能够给出光钟系统频移修正及其不确定度的时间段。

5.3.3计算方法

得到光钟能够给出正常频率输出量值的时间t和光钟运行率测量的总时长T后，光钟的运行率为

5.3.4适用场合

光钟的运行率适合作为光钟可靠性的考核指标之一，考察光钟在某一时间段内的服务能力，对于光

钟驾驭时标等应用有着非常重要的影响。

13

GB/TXXXXX—XXXX

目次

前言...............................................................................II

1范围................................................................................1

2规范性引用文件......................................................................1

3术语和定义..........................................................................1

4光钟的分类和组成....................................................................3

4.1光钟基本原理和组成...........................................................................................................................3

4.2光钟的分类...........................................................................................................................................4

4.3光钟的组成...........................................................................................................................................4

4.4光钟的功能...........................................................................................................................................4

4.5光钟的运行环境要求...........................................................................................................................5

5光钟性能表征........................................................................5

5.1频率稳定度...........................................................................................................................................5

5.1.1概述............................................................................................................................................5

5.1.2利用一台光钟测量得到的频率稳定度....................................................................................5

5.1.2.1环内频率稳定度.............................................................................................................5

5.1.2.2分时间交替自比对频率稳定度.....................................................................................6

5.1.2.3分空间自比对稳定度.....................................................................................................7

5.1.3利用两台光钟比对测量的频率稳定度....................................................................................7

5.1.3.1完全独立的两台同种光钟直接拍频的频率稳定度.....................................................8

5.1.3.2共用光学本地振荡器的两台同种光钟之间的异步比对频率稳定度.........................9

5.1.3.3共用光学本地振荡器的两台同种光钟之间的同步比对频率稳定度.......................10

5.1.3.4完全独立的两台不同种光钟比对的频率稳定度.......................................................10

5.1.3.5共用光学本地振荡器的两台不同种光钟比对的频率稳定度...................................11

5.2频率准确度.........................................................................................................................................11

5.2.1概述..........................................................................................................................................11

5.2.2分类..........................................................................................................................................11

5.2.2.1系统频移不确定度.......................................................................................................11

5.2.2.2绝对频率的不确定度...................................................................................................12

5.3运行率.................................................................................................................................................13

5.3.1概述..........................................................................................................................................13

5.3.2测量方法..................................................................................................................................13

5.3.3计算方法..................................................................................................................................13

5.3.4适用场合..................................................................................................................................13

I

GB/TXXXXX—XXXX

光钟性能表征及测量方法

1范围

本文件规定了表征光钟性能的重要参数及其测量方法，适用于光钟技术研究、产品研制和测试考核

过程中的性能评价。

本文件所提到的光钟指的是被动型光频原子钟，主动型光钟的性能表征及测试方法可参考本文件。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T27418-2017测量不确定度评定和表示

JJF1180-XXXX时间频率计量名词术语及定义

ISBN：9787030448903计量学名词.XXXX，对应的国际文件为国际计量局发布的theInternational

VocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology的最新版本

GB/TXXXX-XXXX精密光频测量中光学频率梳性能参数测试方法

IEEEStd1139-2009基本频率和时间计量随机不稳定性物理量定义（IEEEStandardDefinitions

ofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyandTimeMetrology—RandomInstabilities）

3术语和定义

下列术语和定义适用于本文件。

3.1

不确定度uncertainty

利用可获得的信息，表征赋予被测量量值分散性的非负参数。

[GB/T27418-2017测量不确定度评定和表示]

3.2

频率稳定度frequencystability

描述取样时间内平均频率随机起伏程度的量。不同取样时间对应不同的稳定度量值。一般在时域用

对应取样时间的阿伦标准偏差表征，在频域用偏离载波一定带宽的相位噪声表征。

[参考JJF1180-XXXX时间频率计量名词术语及定义，有修改]

注：1、频率稳定度与频率不稳定度（frequencyinstability）表达的是频率信号的同一个特性。2、为了便于比较不同

类型频率源的特性，常用相对频率稳定度来表征频率源的频率稳定度。相对频率稳定度定义为频率稳定度除以频率源的

中心频率。

3.3

频率准确度frequencyaccuracy

频率的测得值与其真值之间的一致程度。

[theInternationalVocabularyofBasicandGeneralTermsinMetrology，计量学名词]

1

GB/TXXXXX—XXXX

注：1、真值是表示与这个量的定义相一致的值。

2、频率准确度有时也指频率的测量值与标称值之间的一致程度。

3、在一般计量术语中，准确度不是一个数量，不能表示为一个数值，但是在时间频率计量领域，频率准确度往往

跟频率不确定度（frequencyuncertainty）描述的是同一个特性。

3.4

阿伦标准偏差Allandeviation

又称双取样偏差，是阿伦方差（双取样方差）的平方根。时长为的相邻两个取样时间内频率平均

值之差的平方取二分之一为阿伦方差。阿伦标准偏差要求相邻的频率测量数据之间没有死时间

（deadtime，指在按时间顺序测量频率数据的过程中，存在不对频率进行测量的无效时间）。

利用个频率测量数据计算公式为：

···················································································(1)

式中：

—阿伦标准偏差；

—取样时间；

—平均频率偏差；

—取样个数。

利用个相位测量数据（以时间为单位）计算公式为：

·································································(2)

式中：

—阿伦标准偏差；

—取样时间；

—相位差；

—取样个数。

[IEEEStd1139-2009IEEEStandardDefinitionsofPhysicalQuantitiesforFundamentalFrequencyand

TimeMetrology—RandomInstabilities]

3.5

重叠阿伦标准偏差overlappingAllandeviation

阿伦标准偏差的另一种表征方法，利用重叠采样测量数据增强阿伦标准偏差的置信度。

利用个频率测量数据计算公式为：

2

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