基于声表面波技术的1 ps精度时间间隔测量方法研究

高精度时间间隔测量技术对于国民经济与国防建设意义重大。本文研究了基于声表面波带通滤波器时间内插的时间间隔测量方法，该方法利用代表事件的窄脉冲信号激励声表面波带通滤波器，随后通过两次相关运算和三次样条插值计算两事件之间的时间间隔，通过对该测量系统进行理论研究与分析，建立了测量系统数学模型和相应的误差传播模型，利用误差传播模型，着重分析了4类主要噪声引起的测量误差，并提出了减小测量误差的措施，通过仿真获得时间间隔测量单次精度达到1 ps rms时的系统参数，时间间隔测量精度为0.925 ps rms，均值为100.46 ps，结果成正态分布，仿真结果与理论值之间具有很好一致性，充分验证了该时间间隔测量系统的数学模型和误差传播模型的正确性。

高精时间间隔测量技术在国民经济与国防建设中有广泛的应用且意义重大，如北斗卫星导航定位、雷达及激光测距、空间飞行精密定轨、原子物理等方面，是许多前沿科学和国家重大科学工程中的关键技术瓶颈[1] [2] [3] [4]。因此，研究精度达到皮秒量级的时间间隔测量方法具有重要意义。

目前，常见的时间间隔测量方法有时间–幅度转换法、电子计数法、游标法、抽头延迟线法等[5] [6] [7] [8] [9]，而使用最多的是抽头延迟线法，该方法可以获得的理论分辨率最高为10~20 ps，但实际单次测量精度只能达到100 ps rms 左右[10]。2011 年，芬兰Oulu 大学的研究人员，使用时间–幅度转换法， 利用最新的器件获得了接近1 ps rms 的单次测量精度，但它对参考时钟源的稳定度要求极高，还处于实验室研究阶段[11]。2013 年，捷克共和国科学院捷克Pánek 等研究人员，使用声表面波滤波器作为时间插值器，获得了0.7 ps rms 的单次时间间隔测量精度[12] [13] [14]。2018 年，波兰时间频率测量中央实验室Albin Czubla 等研究人员，获得了10 ps rms 的测量精度[15]。2015 年，中国科学院上海天文台的科研人员利用声表面波编码器件作为时间内插器，将时间内插法和编码信号自相关函数的高信噪比特性相结合， 利用一种完全有别于传统的时域互相关对时延进行测量的算法， 获得了1.2 ps rms 的单次时间间隔测量精度[16]。2017 年，长春理工大学严培辉等人，采用双环形振荡器作为时间内插器，将时间内插法和逐步逼近法相结合，再利用时域互相关算法获得了20 ps rms 的时间间隔测量精度[17]。2022 年，西安电子科技大学的研究人员利用声表面波滤波器作为事件内插器，获得了5.75 ps rms 的单次测量精度[18]。