自1955年世界上第一台铯束原子钟成功研制,以原子频标为基准的时间产生与保持方式已广泛应用于卫星导航、深空探测、现代通讯等众多需要提供高精度时间频率的领域。原子钟作为高精度时间频率源,可提供高性能时间频率信号。维持一个连续、稳定、可靠的物理时间频率信号是时间系统工作的基础。为了提高物理时间频率信号的可靠性与连续性,时间系统的构建一般都会采用原子钟冗余备份的方式。虽然原子钟已经属于高稳定的振荡器,但其依旧会受到温度、磁场、辐射和老化等因素的影响,造成原子钟输出信号出现异常,出现跳频、跳相等现象。在主用原子钟出现异常情况时,需要及时无缝切换至备份原子钟,以维持整个系统输出信号的连续性与稳定性。目前,国内外已有一些主备原子钟无缝切换的相关设备,但由于国外技术的封锁,国内研究资料缺乏,产品切换精度有待提高,研究原子钟主备无缝切换的关键技术及相关算法实现是非常必要的。本文以实现原子钟主备无缝切换为目标,深入研究了高精度全数字双混频时差测量、原子钟频率净化、原子钟异常检测和主备原子钟无缝切换等方法和技术。本文的研究内容可为研制主备原子钟无缝切换设备提供理论支持,丰富了国内关于主备原子钟无缝切换的理论研究,仿真实现了守时系统主备原子钟无缝、平稳切换。本文的主要研究内容如下:（1）本文以模拟双混频时差测量为基础,对比分析了全数字式双混频时差测量的原理及优势。全数字式双混频时差测量法通过利用模数转换器将模拟信号数字化,通过数字混频、数字低通滤波和数字鉴相等一系列工作后得到多通道原子钟信号之间的相位差。全数字式双混频时差测量法有效地规避了模拟双混频中运算放大器、过零检测器等器件对系统本底噪声的影响,采用全数字化的处理方式,提高了测量精度,降低了系统本底噪声。仿真结果表明,在测量10MHz频率信号时,全数字式双混频时差测量模块的理论本底噪声能达到2.36e-14@1s。（2）本文分析了原子钟频率净化的锁相环结构和原理,针对原子钟频率净化效果的影响因素环路带宽,以系统输出信号相位抖动最小为目标函数,提出了原子钟频率净化环路最优带宽搜索算法。针对MHM2010氢原子钟、HP5071A铯原子钟和PRS10铷原子钟分别进行了仿真试验,试验结果表明该方法得到的环路最优带宽能够实现良好的原子钟频率净化效果,使得输出信号短期稳定度向压控晶振靠拢,长期稳定度向参考频率源靠拢。（3）通过改进卡尔曼新息法外推法,将其构造的检测历元进行积累,增大检测统计量的非中心化参数,提高检测概率。针对原子钟三种异常情况进行了仿真试验,仿真结果表明改进后的卡尔曼新息外推-积累法能够明显提高检测概率,检测概率平均提高81.29%。同时,针对卡尔曼算法依赖于噪声矩阵的初始化问题,本文提出利用p步无偏有限脉冲响应预测算法,有效地避免了临近异常值的影响,并对其迭代的类卡尔曼递推过程中产生的残差量构造故障检测统计量,通过累加多个历元的统计检测量,增大了统计检测量的非中心化参数,更加有效地检测微小相位、频率跳变。通过仿真氢、铯原子钟的相位、频率异常数据并采集实验室的铯原子钟真实异常数据进行检测分析,均验证了该方法的正确性和有效性,检测可靠性相比于卡尔曼新息外推-积累法提高60%。（4）本文针对存在较小频率偏差的同类原子钟主备切换,利用无偏有限脉冲响应滤波器对切换瞬间由于相位、频偏引起的相位偏差进行补偿,保证切换前后系统输出信号相位不产生相位阶跃。针对不同类原子钟之间切换前后环路带宽差异大,直接改变切换前后环路带宽可引起ns级别的相位跳变。利用环路带宽自适应调整方法,在环路稳态前缓慢调整环路带宽,在环路进入稳态后快速收敛至最优带宽,仿真实现了不同类原子钟的平稳无缝切换。