更新时间：2022-08-25 16:03
时间间隔法是指每趟列车发出以后，间隔一段时间再发出后一列车，以防止列车相撞。1840年以前，列车运行以“时间间隔法”来保证安全。也指采用不等时间间隔法划分重构时间段的重构方法，将负荷曲线按变化幅度进行不等时间段划分，利用阈值限制开关动作次数，实现减小网损和操作费用的目的。
时间间隔法是指以时间作为间隔组织列车运行的办法。例如当车站一切电话中断时，双线区间正方向按规定的时间间隔，连续发出列车的一种特殊行车方法。
国际标准ISO16063-11“激光干涉法振动绝对校准”推荐使用正弦逼近法，利用基于零差正交激光干涉仪(如改进型迈克耳孙干涉仪)或外差激光干涉仪(如马赫-泽德干涉仪)输出正交信号的相位解调，实现1Hz～10kHz宽频带范围内振动传感器幅相特性的绝对校准。多数振动计量技术较先进的国家计量院和一些行业振动校准实验室，已经按照该国际标准的要求实现了该频率范围(或部分范围)的振动幅相特性精确校准，通频带幅值不确定度小于1%，相位移不确定度小于1°(k=2)。然而，对于一些技术相对落后的发展中国家的计量院和国内具有绝对法振动校准装置的省、市计量技术机构的振动实验室，由于采用传统的普通迈克耳孙激光干涉仪和条纹计数法，所以仅能在800Hz频率范围以内提供振动传感器灵敏度幅值信息。
德国物理技术研究院(PTB)加速度实验室将零差时间间隔法和普通迈克耳孙激光干涉仪相结合，利用VXI总线的高分辨率时间间隔分析仪(50ps)或高速数字化仪(50MSs)，在0.1Hz～1kHz频率范围内实现了加速度传感器幅相特性的精确校准。为了满足信号解调的要求，其选用的信号采集和数据处理的相关硬件指标优越，但是价格高昂，使得该系统的硬件构架不具备普遍推广的应用价值。通过对普通迈克耳孙激光干涉仪干涉信号的深入分析，提出了以相对较慢的采样速率(2MSs)采集干涉信号，利用简便快速的新算法完成基于过零点时间间隔求解的信号频率解调、速度波形的复现以及加速度幅值和初相位的最小二乘法求解，从而实现对振动传感器幅相特性校准的技术方案。采用研究介绍的改进的零差时间间隔算法，可以大大降低对相关硬件指标的要求，从而使基于普通迈克耳孙干涉仪的振动绝对法幅相校准技术在中、低频段的广泛应用成为可能。
零差时间间隔法是以单路零差干涉信号同向连续过零点之间的时间间隔作为频率解调的计算起点。在PTB加速度实验室，过零点的时间间隔由高分辨率的时间间隔分析仪直接测得；或由高速数字化仪采集的数字信号确定出所有过零点，然后计算得到。为了确定过零点的位置，对每半个周期(波峰～波谷)的所有采样点或过零点前后各两个采样点(共4个)，应用三阶多项式拟合。在常用的校准加速度下，当频率较低时，由于采样点数目众多，所以完成这一计算过程往往耗时较大。零差激光干涉仪的测量光束和参考光束频率相同，依靠发生干涉后光强的变化进行测量，因此，这类干涉仪输出的电压信号很容易受到光电噪声等随机干扰因素的影响。当振动频率较低时，输出的光电调制信号往往出现较为明显的“毛刺”或“抖动”；即使振动频率升高，这种现象仍然存在，如图1所示。图1(a)为2MS/s的采样速率(分辨率500ns)采集的振动频率为1kHz时的干涉信号，由于瞬时振动速度过零反向，干涉信号发生翻转。由于存在随机噪声的影响，干涉信号在过零时发生抖动，在1.5μs内出现三次反复交叉过零的现象，见图1(b)。在这种情况下，实际过零点的位置会因为噪声的影响而发生改变。因此，时间间隔分析仪(分辨率50ps)和高速数字化仪(分辨率20ns)具有的高分辨率硬件指标，已失去了准确确定干涉信号实际过零点位置的作用和意义。
零差时间间隔法是针对迈克耳孙激光干涉仪的输出信号u(t)进行计算，理想情况下可以表示为：
（1）u(t)=ucos[φ0+φMcos(ωt+φs)]
其中，φ0为光电接收器信号的初相位，φs为位移的初相位，ω为角频率。φM=φMcos(ωt+φs)为调制项。
在t00+TMeas测量时间内，以相同的时间间隔Δt=ti-ti-1对光电信号及传感器输出信号连续进行同步采样，将光电信号连续的时间函数变成离散时间序列{u(ti)}，i=0，1，…，N-1。计算并去除该等间隔离散时间序列的偏移量，得到光电信号新的离散时间序列{u′(ti)}，i=0，1，…，N-1。然后，用下式判断所有离散值中两相邻采样点间是否出现过零点：
（2）u′(ti)u′(ti+1)≤0
理想情况下，当式（1）中的调制项变化2π时(位移变化λ2)，光电干涉信号会出现一个正向及一个负向过零点。然而在实际情况中，由于干涉电压信号受随机噪声等电压干扰因素的影响，可能会出现短时间内反复交叉过零的现象，如图1(b)。在这种情况下，必须消除噪声的影响，确定或保留的过零点。
利用国家中频振动基准(条纹计数法)已有的迈克耳孙激光干涉仪和其它硬件设备，选用带有独立ADC芯片的两通道同步数据采集卡，实现改进的零差时间间隔法振动幅相特性校准系统的硬件配置。外差高频振动幅相特性测量系统基于马赫-泽德干涉仪，其测量原理和软件算法均不同于前者。选用B&K8305压电加速度计和B&K2650电荷放大器组成标准加速度计套组，进行上述两套独立系统间的比对试验。
比对数据的评估遵循CCAUV.V-K1国际比对采用的加权平均法。比对试验中选用的16个测量频率点和参考加速度幅值与仿真试验相同，见表1。零差时间间隔法的测量值相对于加权平均参考值的幅相偏差曲线，如图2所示。在比对试验的测量频率范围，外差系统及改进的零差时间间隔法系统的灵敏度幅值和相移测量不确定度(k=2)分别为：0.5%，0.5°；0.5%，1°。因此，零差时间间隔法系统测量结果相对于加权平均参考值的等效灵敏度幅值及相移测量不确定度分别为0.35%和0.9°(k=2)，见图2(a)和(b)中的上下限直线。需要说明的是，上述频率范围内，外差系统的测量不确定度已经通过与PTB振动标准的多种比对试验验证，指标完全可以信赖。
由比对试验的结果可见，除50Hz外，幅相偏差曲线的所有测量点都在等效不确定度的上下限范围之内，说明零差时间间隔法达到了预期的不确定度，满足相关国际标准的不确定度要求。振动频率为50Hz时，由于受工频信号的干扰，相对于加权平均参考值的灵敏度幅相偏差较大，分别为-0.37%和-0.58°。其中灵敏度幅值偏差超过等效不确定度下限。
(1)研究针对传统零差时间间隔法在实际软硬件实现中存在的不足及其原因进行了深入的分析，进而提出了简化的零差时间间隔法，实现了中、低频带范围内振动传感器幅相特性的精确测量，达到或优于相关国际标准的不确定度指标要求。
(2)基于该方法的校准系统可采用PCI总线的双通道同步数据采集卡及高档微机的虚拟仪器架构，取代昂贵复杂的VXI总线时间间隔分析仪或高速数字化仪，具有通用、经济，性价比高的优点。
(3)改进的零差时间间隔法，软件算法简捷高效，对数据采集卡硬件配置的要求低，具有较大的推广应用价值。对于发展中国家的计量院和国内具有绝对法振动校准装置的省、市计量技术机构的振动实验室，采用该方法与传统条纹计数法测量系统相结合，实现常用频段振动传感器幅相特性的准确测量，具有一定的指导意义。
随着空间探测技术的发展，空间的等离子体成分探测显得越来越重要，尤其对正在进行的深空探测，如探月计划。而空间等离子成分探测最主要的方法就是飞行时间法，既通过测量粒子飞过一定距离所需要的时间来鉴别粒子成分。
国外在等离子体成分探测方面技术已经很成熟，如1984年AMPTE/IRM上的超热离子电荷分析器；1996年FAST上的飞行时间法能量角质谱仪(TEAMS)，ClusterⅡ上的离子成分和分布函数分析器(CODIF)。然而在国内，该技术还刚刚处于起步阶段，存在很多难点，其中最关键的就是：快电子学技术，也就是说如何用电子学的方法测量出起始脉冲和停止脉冲之间的时间间隔，既粒子的飞行时间，约为纳秒量级，将是整个等离子成分探测器的关键。也是国内离子成分探测中所面临的难题，为了能够探索出一种测量这种纳秒量级时间间隔的方法，首先必须模拟出来这种纳秒量级的时间信号，从而找出一种测量该时间间隔的最好方法。将主要研究基于飞行时间法的纳秒量级时间间隔测量技术。
纳秒量级时间间隔测量系统由CPU模块、时间间隔测量模块、数据传输模块三部分组成，其逻辑框图如图3所示。
其中CPU模块主要功能是模拟纳秒量级脉冲信号、接收时间间隔测量模块的数据、FIFO缓存、发送数据到数据传输模块、控制数据传输模块的时序，是整个测量系统的前提和控制中心。时间间隔测量模块主要用来测量纳秒量级的时间间隔，同时把时间信号转换为数字信号。数据传输模块接收数据，并进行数据处理，同时将数据传输到PC机。PC机用来存储数据，同时发送指令到数据传输模块。
1）CPU模块
该模块主要是由FPGA芯片、电源转换电路、时钟模块及配置电路组成。其中最主要的部分为FPGA芯片，它是整个CPU模块的核心。CPU模块的主要功能：
(1)模拟纳秒量级脉冲信号。利用现有的技术方法模拟出来，时间间隔为纳秒量级的脉冲信号，为验证后续测量系统做准备。
(2)接收时间间隔测量模块的数据，将时间间隔测量模块数据存储到内部FIFO。
(3)FIFO缓存、发送数据到数据传输模块。利用FPGA内部的逻辑门，通过编程实现2个4kB的FIFO，用于缓存数据，同时将数据发送到数据传输模块。
(4)控制测量模块和数据传输模块的时序。作为整个测量系统的控制中心，为后续的测量模块和数据传输模块提供时序控制和读、写方式等。其中模拟纳秒量级脉冲信号是整个CPU模块的关键，利用DCM(数字时钟管理器，DigitalClockManager)模块将时钟信号倍频到300MHz左右，通过计数的方法来产生起始脉冲和停止脉冲，从而产生纳秒量级的时间间隔信号。
2）时间间隔测量模块
时间间隔测量系统是整个电子学系统的关键。它的性能的好坏直接决定着时间间隔测量系统的精度。本测量方案选用了德国ACAM公司的高精度时间间隔测量芯片TDC-GP1。该芯片采用44引脚TQFP封装，具有TDC测量单元、16位算术逻辑单元、RLC测量单元及与8位处理器的接口单元4个主要功能模块。其性能指标如下：
①双通道，250ps的分辨率或者单通道125ps的分辨率。
②每个通道可进行四次采样，排序则可达8次采样。
③两个通道的分辨率完全相同，双脉冲分辨率大约为15ns。
④有两个测量范围:3ns～7.6μs;60ns～200ms(有前置配器，只使用于单通道)。
⑤双通道的8个事件可以一个一个的任意测量，没有最小时间间隔限制。
⑥分辨率调整模式:通过软件对分辨率进行石英准确性调整。
⑦有四个端口用来测量电阻、电容和电感。测量输入的边缘灵敏性是可调的。
⑧有效的内置16位运算器，测量结果可以被校准或者乘以一个24位的整数。
⑨运算器用于计算的时间是独立于外部时钟的，整个校准和乘法的时间大约为4μs。
⑩内部最多可存储4个校准值或者8个非校准测量值。
校准和控制时钟频率为500kHz～35MHz(高于100MHz将用到内部的前置配器)。工业温度范围为-40～+85℃；工作电压：2.7～5.5V；低功耗，可用电池驱动。
由于整个电路系统产生和测量的是纳秒量级的脉冲信号，对于如此高频率的信号，很容易受外部信号的干扰，因此在电路板的制作过程中，如何来屏蔽外部干扰信号，提高抗干扰能力，是一个急需解决的问题，这对整个测量系统的准确性有着非常重要的意义。另一个问题就是整个测量系统的核心器件TDC-GP1的温度范围只有-40～+85℃，是否能够经受得起恶劣的空间环境考验，只有通过老化实验和环境模拟试验验证，才能进一步应用到空间探测中。
通过实验证明，该测量系统测量范围为3.5ns～7.2μs，测量误差在允许范围之内，其主要性能指标能满足测量要求，具有一定的实用价值。由于电路中有纳秒量级的高频信号，因此在后续的电路设计中，将进一步提高抗干扰能力。以满足我国深空探测中等离子成分探测的需要。