为了使学生全面、系统地了解时间频率的基础知识，培养学生在时间频率方面的基本研究能力，使学生掌握从事时间频率方面工程建设的基础技能，作者团队在十余年讲授时间频率理论与应用课程的基础上，对讲义进行系统整理而形成本书。书中系统介绍时间频率方面的基础理论，主要包括时间的测量与传递、原子钟原理与实现、天文时间基准观测和国家标准时间产生四个方面，全面描述时间对经济社会、国防建设和科学研究的重要作用。
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1.国家重大科技基础设施建设项目"高精度地基授时系统"，负责人，2018[777]，2021.5-2026.5
2.载人航天专项项目"空间站高精度时频实验柜科学实验系统高精度时间频率实验系统"
，负责人，无编号，2012.1-2022.12
目录
前言
第1章 时间频率发展态势分析 1
1.1 时间频率与国家时间频率体系 1
1.1.1 时间频率的定义 2
1.1.2 时间频率对社会发展的重要性 2
1.1.3 对时间频率的需求 3
1.1.4 国家时间频率体系 4
1.2 时间频率发展规律与发展态势 5
1.2.1 时间频率发展的总体趋势 6
1.2.2 时间频率测量的发展规律 6
1.2.3 时间频率传递的发展规律 7
1.3 时间频率体系的现状 9
1.3.1 时间频率领域发展的总体情况 9
1.3.2 我国时间频率测量的现状 10
1.3.3 时间频率传递的现状 13
1.4 时间频率体系的未来发展 16
1.5 思考题 18
参考文献 18
第2章 时间频率信号的测量方法 20
2.1 精密时间间隔测量 20
2.1.1 电子计数器测量时间间隔 20
2.1.2 电子计数器的输入电路 24
2.1.3 电子计数器的主要测量误差 29
2.1.4 提高测量精度的方法 32
2.2 精密频率测量 37
2.2.1 电子计数器测量频率 37
2.2.2 提高测量精度的方法 41
2.3 偏差频率产生技术 46
2.3.1 频率合成技术的发展 46
2.3.2 直接数字频率合成技术 47
2.3.3 基于锁相环技术的偏差频率产生器 51
2.3.4 基于单边带混频的偏差频率产生器 55
2.4 思考题 60
参考文献 61
第3章 时间频率信号的分析方法 62
3.1 频率源输出信号的表示 62
3.2 频率源输出特性的频域表征 64
3.2.1 频率源输出的系统模型 64
3.2.2 精密频率源输出的噪声模型 65
3.2.3 频率稳定度的频域表征量 67
3.2.4 相位噪声频域测量方法 68
3.3 振荡器输出特性的时域表征 71
3.3.1 频率稳定度时域表征的困难 71
3.3.2 描述频率源输出时域稳定度的各种方差 72
3.3.3 方差估计的置信区间及迭代取样 80
3.4 时频域表征的转换 81
3.5 状态空间模型递推模拟振荡器噪声 84
3.5.1 状态空间模型 85
3.5.2 噪声模拟方法 86
3.5.3 噪声模拟结果 89
3.6 思考题 89
参考文献 89
第4章 时间频率传递与授时方法 91
4.1 时间频率传递的基本概念 91
4.2 主要授时方法 93
4.2.1 网络授时 93
4.2.2 电话授时 96
4.2.3 电视授时 96
4.2.4 广播网授时 98
4.2.5 短波授时 99
4.2.6 长波授时 100
4.2.7 低频时码授时 103
4.2.8 卫星授时 104
4.3 基于卫星导航系统的高精度时间频率传递方法 106
4.3.1 共视法时间比对 107
4.3.2 全视法时间传递 108
4.3.3 载波相位时间传递 111
4.3.4 精密单点定位时间传递 112
4.4 其他时间传递方法 115
4.4.1 卫星双向时间频率传递方法 115
4.4.2 光纤时间传递方法 117
4.4.3 卫星激光时间传递方法 118
4.4.4 量子时间同步传递方法 119
4.5 思考题 122
参考文献 123
第5章 原子钟实现的物理基础 124
5.1 量子能级与量子跃迁 124
5.1.1 单电子原子的能级结构与特性 125
5.1.2 原子核的能级结构与特性及超精细结构 130
5.1.3 原子与电磁场的相互作用和量子跃迁 132
5.2 原子谱线的探测 139
5.2.1 观测原子量子跃迁的两种实验方法 139
5.2.2 原子谱线信号参量的描述 141
5.3 原子的激光冷却与操控 144
5.3.1 原子与光场的相互作用 144
5.3.2 原子的冷却与俘获 147
5.3.3 原子的激光操控 156
5.4 思考题 159
参考文献 160
第6章 典型原子钟的原理与实现 161
6.1 原子钟的基本原理 161
6.1.1 原子钟的性能指标 161
6.1.2 原子钟的分类 163
6.1.3 原子钟的发展趋势 164
6.2 光抽运小铯钟 164
6.2.1 光抽运小铯钟的实现原理 165
6.2.2 光抽运小铯钟的基本组成 167
6.2.3 光抽运小铯钟的研究进展 171
6.3 铷喷泉守时原子钟 172
6.3.1 铷喷泉守时原子钟的实现原理 172
6.3.2 铷喷泉守时原子钟的基本组成 176
6.3.3 铷喷泉守时原子钟的研究进展 180
6.4 思考题 182
参考文献 183
第7章 天文时间尺度与世界时 184
7.1 天文时间尺度 184
7.1.1 恒星时 185
7.1.2 太阳时 187
7.1.3 地方时 189
7.1.4 世界时 191
7.1.5 历书时 195
7.1.6 协调世界时 197
7.1.7 地球的空间运动 198
7.2 世界时 201
7.2.1 世界时的主要测量方法 201
7.2.2 世界时的服务与应用 208
7.3 思考题 209
参考文献 210
第8章 脉冲星时间尺度 211
8.1 脉冲星的特点与观测方法 211
8.1.1 脉冲星的发现 211
8.1.2 脉冲星的特点 212
8.1.3 脉冲双星和毫秒脉冲星 213
8.1.4 脉冲星的形成与辐射机制 213
8.1.5 脉冲星的观测方法 214
8.2 脉冲星时间尺度的建立及误差分析 219
8.2.1 脉冲星到达时间测量 219
8.2.2 脉冲星到达时间分析模型 225
8.2.3 脉冲星计时的主要误差 230
8.3 综合脉冲星时间尺度 234
8.3.1 脉冲星时定义 234
8.3.2 综合脉冲星时算法 235
8.3.3 脉冲星时稳定度估计方法 243
8.4 脉冲星时间尺度的应用 246
8.4.1 脉冲星时在原子时守时中的应用 246
8.4.2 脉冲星时在自主导航中的应用 248
8.4.3 脉冲星时在引力波探测中的应用 249
8.5 思考题 250
参考文献 250
第9章 原子钟与原子时 253
9.1 守时型原子钟 253
9.1.1 钟差数据处理的总体要求 253
9.1.2 相位跳变数据的处理 255
9.1.3 频率跳变数据的处理 256
9.1.4 方差增大数据的处理 257
9.2 原子钟噪声分析及降噪方法 258
9.2.1 原子钟频率漂移的修正 258
9.2.2 比对噪声的处理 259
9.3 原子时算法 263
9.3.1 原子时时间尺度计算的基本方法 263
9.3.2 国际原子时算法 266
9.3.3 AT1算法 268
9.3.4 原子时算法的比较和发展 270
9.4 思考题 271
参考文献 271
第10章 现代守时技术 272
10.1 守时与标准时间 272
10.1.1 国际原子时 274
10.1.2 协调世界时 274
10.1.3 国际标准时间的产生 275
10.1.4 协调世界时的物理实现 277
10.1.5 北京时间 278
10.1.6 全球卫星导航系统时间 278
10.2 现代守时系统 285
10.2.1 现代守时系统的组成 286
10.2.2 标准时间信号的产生与分配 287
10.2.3 守时系统的条件控制 288
10.2.4 守时系统的状态监测 293
10.3 思考题 297
参考文献 297
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