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《时间频率理论与方法》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《时间频率理论与方法》。《时间频率理论与方法》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。

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

第1章 时间频率发展态势分析
　　时间是测量精度*高的基本物理量，稳定可靠的频率是时间产生的基础，本章在对时间频率基本概念进行阐述的基础上，介绍时间频率的发展历史与未来趋势。作为维持社会运行的基本参量，高精度的时间频率体现出国家的实力，支撑着国民经济、国防安全的长远发展。国家时间频率体系的主要目标就是统一时间，本章主要介绍国家时间频率体系的基本构成和现状。
　　1.1 时间频率与国家时间频率体系
　　时间是一个基本的物理量，为动力学系统和时序过程的测量及定量研究提供了必不可少的基准，是一切活动的基础。高精度时间频率已经成为一个国家科技、经济、军事和社会生活中至关重要的参量，涉及国家安全和发展，其应用范围从基础研究领域(天文学、地球动力学、物理学等)到工程技术领域(信息传递、电力输配、深空探测、空间旅行、导航定位、武器实验、地震监测、计量测试等)，关系到国计民生的各个方面(交通运输、金融证券、邮电通信等)。
　　时间也是从事国防建设和维护国家安全的重要参数。现代高技术战争是陆、海、空多军兵种高度配合下的立体化战争。体系与体系的对抗广泛涉及信息战、电子战、战场感知、精确打击、导弹攻防及空间作战等各个领域。统一的、高精度的时间频率标准不仅是信息化条件下多军兵种联合作战的前提，而且是提高信息化武器装备作战效能的基础。没有统一的、高精度的时间标准，就不可能实现体系内各军兵种、各种武器装备的协同作战；没有高精度的频率源，就会影响通信、导航、雷达和电子对抗等各种高技术电子设备的有效性，进而影响部队的战斗力。因此，统一的、高精度的时间频率标准已经成为现代高技术战争的核心技术之一[1]。
　　长期以来，美国、俄罗斯等国家都非常重视本国时间频率标准的建立和管理工作。早在1971年，美国国防部就颁布了5160.51指令，对其所属单位使用的精密时间和时间间隔标准进行了规范。1985年，新发布的5160.51指令进一步阐明了美国标准时间的建立与保持、政策协调、使用要求及相关责任，明确规定了美国时间频率标准和标准时间的管理机构，实现了美国国家全球化战略时间频率标准的高度统一。
　　第二次世界大战结束不久，苏联就建立了本国的国家时间频率标准。目前，俄罗斯国家时间频率的*高协调机构是由俄罗斯联邦国防部、俄罗斯联邦国家标准化与计量委员会及其他九个部委联合组成的部际委员会，国家标准时间由国家授时和频率及地球公转参数测定站管理协调。
　　1.1.1 时间频率的定义
　　时间是表征物质运动的*基本物理量。时间的含义包括两个概念：时间间隔和时刻。时间间隔描述物质运动的久暂，表示时间持续的长短；时刻描述物质运动在某一瞬间对应于绝对时间坐标的量度，也就是描述物质运动在时间坐标中的属性。时间间隔与时刻，二者既有各自的属性，又相互紧密联系，统称为时间。频率是单位时间内周期性过程重复、循环或振动的次数，是建立时间系统的基础，时间和频率紧密关联，统称为时间频率。目前，时间是测量精度*高的基本物理量[2]。
　　目前，国际上常用的时间尺度有世界时(universal time， UT)、国际原子时(international atomic time， TAI)和协调世界时(coordinated universal time， UTC)。世界时是以地球自转运动周期为基础，通过天文观测确定的时间尺度；国际原子时是利用原子振荡频率确定的以原子时秒长为基础的时间尺度；协调世界时以国际原子时秒长为基础，在时刻上尽量靠近世界时(不超过)，目前协调世界时采用闰秒实现与世界时时刻的一致。协调世界时既保持了原子时的均匀性能，又保持了世界时与地球自转的相关性能，是目前官方使用的国际标准时间[3]。
　　1.1.2 时间频率对社会发展的重要性
　　从远古时期开始，时间频率就是人类活动中不可或缺的组成部分，因此时间频率的重要性不言而喻。
　　在农业社会，人们对时间的需求主要表现在对农时的要求。为了在合适的时间进行耕种、收获，人们通过天象观测等手段制定了精确的农历。到了大航海时代，导航成为当时航海家远航的瓶颈问题，地理纬度很容易通过六分仪观测太阳测定，但地理经度的测定有相当的难度，由于地球的自转，若要测量地理经度，则需要精确地测量两地的时间差，对海上经度的测量转换为对时间的测量，要求使用高精密的机械钟进行守时，这促进了时间测量技术的发展；现代社会对时间的需求更是成为人们生产生活的基础，主要体现在以下方面。
　　(1)时间具有*特的计量学特征。
　　与其他物理量分级传递不同，在七个基本物理量中，时间是唯一可以直接将国家标准传递到用户的物理量，该特质使得时间的应用*为普遍，成为现代精密测量的基础。2018年11月16日，国际计量大会通过决议，将千克、安培、开尔文和摩尔四个基本物理量的基本单位改由常数定义，并于2019年5月20日起正式生效。这样，在七个基本物理量中，所有定义都直接或者间