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2024年 第44卷 第5期    刊出日期：2024-10-15

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计量技术综述

法拉第激光器在量子计量领域的应用

张佳, 史航博, 王志洋, 秦晓敏, 刘子捷, 关笑蕾, 高勋, 王宇, 史田田, 陈景标

2024, 44(5):  1-7.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.01

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高精度稳频激光器是实现量子精密测量技术的重要基础和组成部分。法拉第激光器利用原子滤光器进行频率选择，输出波长被限制在原子特定跃迁频率附近的透射谱内，具有波长与原子谱线自动对应、线宽窄、抗激光二极管电流及温度波动等显著优势，在量子计量领域有诸多应用，如原子钟、原子重力仪、原子磁力仪等。从法拉第激光器的研究背景、基本原理出发，介绍法拉第激光器在铯原子钟、原子重力仪、光通信系统等领域的实际应用及重要价值。未来，随着技术的不断成熟与创新，法拉第激光器有望在更多领域实现广泛应用，如大功率激光武器、里德堡原子雷达等，预期将在国防军工计量领域发挥更大的作用。

新国际单位制体系下芯片化计量的研究进展与发展趋势

郭林宝, 赵昭, 李道政, 李亚杰, 沙长涛, 张红

2024, 44(5):  8-15.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.02

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芯片化计量是一种实现途径，具有高效、低成本的优势。国际单位制（SI）的巨大变革使计量工作摆脱了实物基准的困扰，使复现量值的方法更加灵活。伴随量子测量方法的发展，诞生了一些芯片级计量标准装置。微机电(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)、微流控和微型激光器等是芯片化计量发展过程中的关键支撑技术。基于量子测量技术，国际单位制中部分基本单位的实现，如时间、长度、温度和电流，已具备芯片化的雏形。整体上，芯片化计量仍处于起步阶段，主要表现为传感元件的芯片化。未来可通过不断丰富芯片级计量基（标）准仪器的种类，逐步构建和完善芯片化的溯源链，来推动芯片化计量的发展。

基于量子精密测量的中红外气体检测技术综述

朱天一, 冯典英, 许峰, 董雅卓, 张文申, 侯倩倩, 刘霞, 王威

2024, 44(5):  16-24.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.03

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综述了基于量子精密测量的中红外气体检测技术发展情况。随着半导体行业的发展，对电子工艺气体纯度的要求不断提升，传统中红外气体检测技术在痕量气体检测上面临灵敏度和精度的挑战。分析比较了光纤消逝波、光声光谱、傅里叶变换红外光谱、可调谐二极管激光吸收光谱和光腔衰荡光谱等技术的特点、应用现状及其局限性，并重点介绍了基于量子关联光谱的中红外气体检测技术，通过利用光量子探测器和频率上转换技术，突破了传统中红外探测器的性能瓶颈，显著提高了检测灵敏度和信噪比，该技术将成为未来的重点研究方向和技术突破口，为实现更高精度的痕量气体检测提供了重要参考。

量值传递技术

基于平面近场的太赫兹天线方向图测量不确定度的评定方法及验证

黄承祖, 刘星汛, 刘婷, 许兴明

2024, 44(5):  25-31.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.04

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面对太赫兹（Tera Hertz,THz）频段天线方向图校准需求，基于研建的太赫兹天线方向图测量装置，根据NIST经典平面近场测量不确定度分析模型，对天线平面近场测试的测量不确定度进行分析评定，并通过比较法对测量不确定度进行验证。实验结果表明，该评定方法在设定的实验频段可行，预计在更高频段依然适用。首先介绍基于平面近场的太赫兹天线方向图测量装置，然后对测量不确定度的误差来源进行分析，并与远场测量结果进行比较验证，继而对未来工作进行展望。

通信电缆转移阻抗精确测量和MCM不确定度评定

丁翔, 朱梦涵, 邓晓千

2024, 44(5):  32-38.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.05

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为解决在高精度计量校准领域采用三同轴法测试通信电缆转移阻抗的过程中由于外筒分布参数、接头连接参数等因素严重影响量值溯源准确性的问题，通过分别测量夹具校准件和待测电缆S参数，运用网络级联算法计算屏蔽衰减，最后计算转移阻抗的方法能有效消除测量误差，从而提升转移阻抗测量准确性。由三同轴法测量原理出发，分析标准测试方案，详细论述二端口S矩阵与A矩阵换算和网络级联算法，推导出转移阻抗精确测量方案。最后通过实验进行了验证，并采用蒙特卡洛法（Monte Carlo Method,MCM）进行测量不确定度评定，评定结果为U_r=8%（k=2）。

一种智能整定氢原子频标PID控制系统参数的方法

李昂, 周铁中, 薛潇博, 易航, 陈德好

2024, 44(5):  39-44.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.06

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氢原子频标的稳定运行是其发挥重要作用的前提，而比例-积分-微分（Proportion Integration Differentiation,PID）控制系统的作用是调整氢原子频标晶振部分的输出频率尽可能接近其标称值，是保障氢原子频标稳定运行的重要组成部分。尽管PID控制系统的参数不会随时间的推移而更改，但是目前仍主要采用手动方式来调整其值或根据累积知识与大量的试验数据做出决策。因此，采用了以反向传播（Back Propagation,BP）神经网络为基础的一种新型智能化技术。这种算法的核心是基于PID控制系统输出与期望输出之间的偏差进行的反馈调节，即在反向传播过程中，利用反馈函数以便更好地适应实际应用中的情况，并将它们用作学习的对象，使得在没有外部干扰下达到最佳性能表现并且能够有效地减少偏离预期的可能性和影响范围，通过信号正向传播和误差反向传递实现PID控制系统中参数的最优化，最终仿真结果为氢原子频标的天频率稳定度为1.51E-15，经过试验对比，该方法获得了最优的仿真结果，从而提高了氢原子频标运行的稳定度。

PCM设备电流参数在片校准方法研究

丁晨, 刘岩, 乔玉娥, 翟玉卫, 吴爱华

2024, 44(5):  45-49.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.07

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针对PCM设备电流参数无法在探针端进行在片校准问题，提出了一种电流参数在片校准方法。利用半导体工艺中薄膜溅射法、离子注入法，研制在片取样电阻标准件，通过组建有温度控制的定标系统对标准件进行定标，测量结果可溯源至直流电阻参数国家最高基准。PCM设备对在片取样电阻标准件施加电压，并联标准电压表，通过加压测流的方法实现对电流参数1 nA~100 mA的在片校准，有效解决了PCM设备电流参数在片校准问题，保障了该设备电流参数在探针端的准确性。

基于长条形漫反射激光冷却原子的光频标

关笑蕾, 张佳, 高勋, 王宇, 史田田, 陈景标

2024, 44(5):  50-54.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.08

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基于亚多普勒激光光谱技术稳频的光频标已经在不同的原子、分子系综中实现了优于10^-13量级的短期频率稳定度。但是，受限于多普勒频移和碰撞频移的影响，现有热原子光频标的长期频率稳定度很难进一步提高。为解决这一问题，一种基于长条形漫反射激光冷却原子的光频标被提出。其创新性地将冷原子与频率调制谱稳频(Frequency modulation spectroscopy，FMS)技术相结合，利用漫反射激光冷却技术制备长达50 cm的冷原子团，显著增加有效原子数目。通过探测冷原子频率调制谱，并将780 nm外腔半导体激光器的输出频率锁定在⁸⁷Rb 5²S_1/2（F=2）→5²P_3/2（F=3）循环跃迁，冷原子光频标最终实现了5×10^-15/τ的环内短期频率稳定度。未来，该冷原子光频标有望被发展成为空间冷原子钟或波长标准，推动精密测量领域的不断进步。

微小电磁器件扭矩校准技术研究

齐红丽, 马相龙, 李涛

2024, 44(5):  55-60.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.09

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扭矩是惯性导航系统微小电磁器件重要的特征参数，一般在毫牛米（mN·m）级至微牛米（μN·m）级。为了测量惯导系统微小电磁器件微牛米级的扭矩量值，研究了扭矩校准测量范围达到微牛米级的扭矩校准测量装置。装置采用了弹性挠性支承与零刚度理论相结合的扭矩校准测量新技术，设计了超薄型一体式限位保护结构的挠性支承，实现了装置零刚度支承结构，解决了挠性支承的多自由度扭转变形难题，使微小扭矩测量范围从mN·m级向下扩展到了μN·m级。实现了微小扭矩自动加载技术，提出了毫克（mg）级砝码逐级自动加卸载思路，解决了异型砝码设计和自动加卸载难题，消除了传统小扭矩装置手动加卸载产生的冲击干扰因素对装置测量结果的影响，实现了装置全量程范围自动校准和测量，提升了校准装置量传可信度。通过试验验证，该装置的量程范围达到5~500 μN·m，测量不确定度优于1%(k=2)。

精密测试技术

矢量捷变信号源的设计与实现

田云峰, 胡斌, 王志巧, 王心洋, 何伟, 贾琳

2024, 44(5):  61-67.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.10

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针对新一代雷达、通信等电子设备测试和复杂电磁环境构建等对宽带矢量捷变信号的应用需求，综合运用直接模拟频率合成（Direct Analog Synthesis,DAS）、锁相频率合成（Phase-Locked Loop,PLL）、直接数字频率合成（Direct Digital Synthesis,DDS）、I/Q数字矢量调制等信号产生方式，进行了宽带矢量捷变信号产生技术研究，突破了频率捷变、功率捷变、调制捷变、高速时序同步及控制、复杂电磁信号产生等关键技术，所研制的矢量捷变信号源融合了矢量信号源、捷变信号源、低相位噪声信号源的优势，实现了40 GHz频率范围、100 ns 捷变时间、1 GHz瞬时带宽等先进技术指标。

保罗离子阱中离子二阶多普勒频移评估

苗胜楠, 郑莹, 张升康, 陈海军, 张建伟, 王力军

2024, 44(5):  68-75.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.11

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主要研究了保罗离子阱中被囚禁离子二阶多普勒频移（The Second-order Doppler Frequency Shift,SODFS）的评估。保罗阱中离子的运动由宏运动、微运动和额外微运动三部分组成。目前，关于离子额外微运动的研究较少，文中对此进行了详细研究。基于离子密度在径向均匀分布的假设，文中提出了一种用于评估阱中温度低于100 mK离子系综的二阶多普勒频移的模型。该模型考虑了离子三种运动对二阶多普勒频移的贡献。通过实验以及分子动力学仿真，验证了模型的有效性。文中提出的模型能用于评估保罗阱中被囚禁离子的二阶多普勒频移，适用于离子光钟、离子微波钟，尤其适用于基于大离子云的激光冷却离子微波钟。

一种基于量子相干对在铷原子气体中同向传输激光计量偏振特性技术的研究

贾云峰, 刘卫平, 李栋, 俞兵, 张云龙, 尤越, 王楠茜, 陈洁婧, 刘译泽

2024, 44(5):  74-80.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.12

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为解决激光在气体介质传输过程中的偏振计量问题，提出一种利用两束同方向传输的激光在铷原子气体介质中的量子相干效应，通过斯托克斯偏振反演方法对其中一束激光的光强分布探测，从而获得另一束激光的偏振分布情况的方法。具体实现方式是将两束激光同时穿过铷原子气体，通过改变其中一束激光的偏振方位角和椭偏度，研究另一束探测激光在通过铷原子气体后光强以及偏振变化情况，并通过将一束激光换为混合矢量光与角向矢量光的试验方式验证了试验结论。研究发现当两束激光偏振方向和椭偏度相同时，激光的光强达到最大，但偏振分布不变。为此提出量子相干的数学模型进行解释，并最终通过跃迁能级相干时间检测试验验证了所提出的量子相干数学模型的可行性。

物联网和区块链技术赋能计量数字化转型

郑江慧, 李婧睿, 郭洪岩, 吴红霞, 王良

2024, 44(5):  81-85.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.13

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针对航天领域计量测试的质量管理问题，适应计量数字化转型的发展方向，提出了一种以物联网和区块链为支撑的计量管理系统。该系统可以提高测试效率和确保数据安全性，关注超范围量值传递和客户数据隐私问题。通过综合应用物联网技术和区块链技术，系统实现了实时数据采集、设备互联与远程监测，同时确保了数据的不可篡改性和隐私保护。引入了智能合约，实现测试流程自动化，并结合智能异常检测算法和设备监控系统，有效解决了计量过程中的超范围量值传递问题。物联网和区块链技术赋能的计量管理系统能够实时捕捉并处理异常数值，通过区块链的隐私保护机制，防范客户数据泄露的潜在风险。该方案为航天领域的质量管理提供了高效、安全和自动化的可行途径，为提升计量测试的竞争力和客户信任度创造了实际应用价值。

G-M计数器用于n、γ混合辐射场γ周围剂量当量测量研究

汪雨晨, 徐新宇, 李春娟, 刘毅娜, 王志强, 段君仪, 骆海龙

2024, 44(5):  86-91.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.14

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基于中子的产生和反应机制，中子参考辐射场均为n、γ混合场，其γ成分主要来源于中子产生时的伴随γ和中子与辐射场环境物质相互作用产生的γ。本工作研究了一种能量补偿型盖革-弥勒（G-M）计数器在n、γ混合辐射场中的应用。通过蒙特卡罗（MC）粒子输运程序MCNP对其能量响应进行模拟研究，并在γ参考辐射场中进行实验验证，验证了其能量补偿方案能够有效抑制低能区的过响应。利用该能量补偿型G-M计数器对实验室放射性核素中子源辐射场的γ周围剂量当量进行测量，完善了参考辐射场的参数，可为解决由中子仪表的γ响应特性带来的校准问题提供支撑。

连续热电偶测温系统在高温老化系统中的应用

孙强, 黄贤武, 金冉, 李银川, 付杰

2024, 44(5):  92-96.  doi:10.12060/j.issn.1000-7202.2024.05.15

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为了实现对高温老化系统有效工作区域内温度进行实时监控，避免芯片或电子元器件由于温度异常导致的失效、损坏，根据连续热电偶的输出热电势总是和感温段上存在的最高温度相对应这一原理，搭建一套采用连续热电偶为感温元件的实时测温系统，该系统布置简单、造价低廉，利用实时测温系统分别对恒温状态和温度渐变状态进行试验数据验证，均能达到预期效果。使用该系统能有效监测老化系统工作区内的温度，并能实现集中监控，根据芯片或电子元器件的老化温度，自由设置预警和报警温度点。