超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度的平行標(biāo)定方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度的平行標(biāo)定方法，其特征在于首先采用數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)GPS組合慣導(dǎo)秒脈沖信號(hào)PPS倍頻產(chǎn)生重采樣的時(shí)鐘，然后利用計(jì)數(shù)器獲得ADC采樣時(shí)鐘與重采樣時(shí)鐘的相位關(guān)系從而完成對(duì)原始信號(hào)的重采樣；隨后在接收到PPS信號(hào)時(shí)由串口讀取此時(shí)GPS的精確授時(shí)時(shí)間，最后再與GPS組合慣導(dǎo)中存儲(chǔ)的帶有時(shí)間戳的位置和姿態(tài)信息融合后來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。本發(fā)明提供十微秒級(jí)的同步測(cè)量精度，所述方法具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可操作性強(qiáng)，對(duì)成功研制超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置意義重大。
【專(zhuān)利說(shuō)明】超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度的平行標(biāo)定方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度的平行標(biāo)定方法，尤其是一種航空超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的GPS組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)與磁測(cè)量數(shù)據(jù)在同步精度上的高效平行標(biāo)定方法，屬于超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域。

【背景技術(shù)】
[0002]超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)通常是在運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上搭載磁測(cè)設(shè)備，利用運(yùn)動(dòng)過(guò)程中獲取的由磁性礦產(chǎn)資源引起的地磁異常信息，實(shí)現(xiàn)對(duì)地下磁性地質(zhì)性和礦體高效率、高精度的三維定位，并獲取它們的空間分布信息。它具有效率高，探測(cè)深度深等特點(diǎn)，而且相對(duì)于傳統(tǒng)的總場(chǎng)和分量場(chǎng)磁測(cè)量，具有明顯的優(yōu)勢(shì)和跨時(shí)代的意義，是目前航空磁物探技術(shù)的重要發(fā)展方向和國(guó)際研究前沿。
[0003]組成超導(dǎo)全張量磁梯度計(jì)的核心器件是超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID:Superconducting QUantum Interference Device)。SQUID 是目前已知靈敏度最高的磁傳感器，能夠測(cè)量非常微弱的磁信號(hào)，而且利用SQUID測(cè)量磁梯度時(shí)傳感器間距小(厘米級(jí))，是目前實(shí)現(xiàn)高靈敏全張量磁梯度測(cè)量的唯一選擇。
[0004]由于超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量平臺(tái)通常是運(yùn)動(dòng)的，因此需要在實(shí)現(xiàn)其測(cè)量系統(tǒng)原始輸出信號(hào)同步采集的同時(shí)，還須通過(guò)高精度的姿態(tài)投影進(jìn)行磁補(bǔ)償以消除SQUID切割地球磁場(chǎng)所引入的干擾。通常，良好的姿態(tài)投影不但需要用到高精度的GPS組合慣導(dǎo)，而且更需要磁測(cè)量數(shù)據(jù)與GPS組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的高精度同步來(lái)保障，其中與超導(dǎo)磁傳感器適配的Delta-Sigma類(lèi)型ADC是基于過(guò)采樣的原理，由于其采樣時(shí)鐘與GPS工作時(shí)鐘是獨(dú)立的，故無(wú)法保障磁測(cè)量數(shù)據(jù)與GPS組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的同步性。
[0005]可見(jiàn)超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步性必須標(biāo)定，必要時(shí)還須以重采樣的方式進(jìn)行校正，而通常影響超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)同步精度的因素主要包括=SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲、Delta-Sigma類(lèi)型ADC的過(guò)采樣延遲、重采樣后的時(shí)間延遲、接收PPS信號(hào)的數(shù)字1信號(hào)延遲以及GPS組合慣導(dǎo)中PPS信號(hào)與位置姿態(tài)信號(hào)的同步誤差，其中最后兩個(gè)因素在一般情況下可以忽略。
[0006]研制超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)對(duì)國(guó)家礦產(chǎn)資源保障體系的建設(shè)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展均具有十分重要的意義，但目前我國(guó)在該領(lǐng)域，除中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所承擔(dān)的由中央財(cái)政部主持的“航空超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量裝置”重大儀器專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目外，尚未開(kāi)展任何相關(guān)的研究，而國(guó)外雖有鮮有類(lèi)似的裝置，但未見(jiàn)相關(guān)技術(shù)的詳細(xì)報(bào)道，更無(wú)法獲知超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度標(biāo)定的具體詳情，從而其同步精度標(biāo)定方法無(wú)從參考。
[0007]綜上所述，在國(guó)內(nèi)外尚未見(jiàn)有關(guān)超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置和GPS組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)和磁測(cè)量數(shù)據(jù)同步精度上的高效標(biāo)定方法的公開(kāi)報(bào)道，而為保障超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)真正能成為有效性，提出一種切實(shí)可行的高效標(biāo)定方法至關(guān)重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種高效超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度的平行標(biāo)定方法，以解決超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度的標(biāo)定問(wèn)題，本發(fā)明針對(duì)可忽略GPS組合慣導(dǎo)秒脈沖信號(hào)PPS與位置姿態(tài)信號(hào)同步誤差的情況，從而提供一種可并行測(cè)量的高效超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度標(biāo)定方法。所述的方法不僅能提供十微秒級(jí)的同步測(cè)量精度，而且還能并行測(cè)量超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置所有被測(cè)通道的同步精度。所述的平行標(biāo)定是指超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度標(biāo)定，可以是一個(gè)一個(gè)通道標(biāo)定，也可以是一次性全部標(biāo)定。
[0009]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)控裝置主要由SQUID讀出電路、數(shù)據(jù)采集與通訊組件、運(yùn)動(dòng)位置與姿態(tài)信息記錄組件、工作環(huán)境監(jiān)測(cè)組件以及人機(jī)界面組件組成，其中運(yùn)動(dòng)位置與姿態(tài)信息記錄組件多采用GPS組合慣導(dǎo)(比如加拿大NovAtel公司的SPAN-LCI)實(shí)現(xiàn)。為解決數(shù)據(jù)采集與通訊組件中Delta-Sigma類(lèi)型ADC的采樣時(shí)鐘與GPS時(shí)鐘不相關(guān)的問(wèn)題，首先采用數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)GPS組合慣導(dǎo)秒脈沖信號(hào)PPS倍頻產(chǎn)生重采樣的時(shí)鐘，然后利用計(jì)數(shù)器獲得ADC采樣時(shí)鐘與重采樣時(shí)鐘的相位關(guān)系從而完成對(duì)原始信號(hào)的重采樣；隨后在接收到PPS信號(hào)時(shí)由串口讀取此時(shí)GPS的精確授時(shí)時(shí)間，最后再與GPS組合慣導(dǎo)中存儲(chǔ)的帶有時(shí)間戳的位置和姿態(tài)信息融合后來(lái)實(shí)現(xiàn)同步?？梢?jiàn)，影響超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度的因素包括=SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲、Delta-Sigma類(lèi)型ADC的過(guò)采樣延遲、重采樣后的時(shí)間延遲、接收PPS信號(hào)的數(shù)字1信號(hào)延遲以及GPS組合慣導(dǎo)中PPS信號(hào)與位置姿態(tài)信號(hào)的同步誤差，而常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域中的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)要求的同步精度在十微秒量級(jí)，因此對(duì)最后兩個(gè)時(shí)間延遲在一微秒以下的因素在一般情況下可以不考慮，即磁測(cè)量數(shù)據(jù)只需與GPS的秒脈沖信號(hào)PPS同步即可滿(mǎn)足與運(yùn)動(dòng)位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)的同步要求。
[0010]鑒于磁測(cè)量數(shù)據(jù)只需與GPS組合慣導(dǎo)的秒脈沖信號(hào)PPS同步即可滿(mǎn)足一般情況下超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)的姿態(tài)投影要求，因此所述方法首先利用PPS信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)與其上升沿同步的零相位正弦波信號(hào)；然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路分別輸入到超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置中所有SQUID讀出電路的Test接口，并在SQUID正常工作后于指定的整秒時(shí)間觸發(fā)采集上述所有超導(dǎo)磁測(cè)量通道的信息；隨后測(cè)量該采樣數(shù)據(jù)所有磁測(cè)量通道信號(hào)在整秒時(shí)間后的相位，也可將所有磁測(cè)量通道的采集信號(hào)分成N個(gè)整秒數(shù)據(jù)，在拋棄第一個(gè)整秒數(shù)據(jù)后測(cè)量它們的相位并求算術(shù)平均值；最后將這些相位轉(zhuǎn)換為正數(shù)并換算成與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間即可獲得超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度，從而完成相關(guān)的標(biāo)定工作。
[0011]基于本發(fā)明所述方法的工作原理，采用所述方法構(gòu)建的裝置通常包括高速示波器、函數(shù)發(fā)生器、定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路以及被測(cè)系統(tǒng)的測(cè)控裝置，而構(gòu)成標(biāo)定裝置的這些組件均是獨(dú)立的，并無(wú)固定的結(jié)構(gòu)連接方式，在工作時(shí)只需通過(guò)線纜連接對(duì)應(yīng)的信號(hào)接口即可。
[0012]為產(chǎn)生一個(gè)與GPS組合導(dǎo)航的PPS信號(hào)上升沿同步的零相位正弦波信號(hào)，首先將可與接收PPS信號(hào)數(shù)字1并行工作的雙向數(shù)字1 口連接至函數(shù)發(fā)生器的外觸發(fā)接口 ；然后在接收PPS信號(hào)數(shù)字1檢測(cè)到通過(guò)時(shí)間觸發(fā)Delta-Sigma類(lèi)型ADC采集的PPS信號(hào)上升沿時(shí)，同時(shí)置位與函數(shù)發(fā)生器的外觸發(fā)接口相連的數(shù)字1 口(需要在原測(cè)控裝置的程序上編程增加該功能)，使函數(shù)發(fā)生器輸出與其同步的零相位正弦波信號(hào)。為監(jiān)測(cè)PPS信號(hào)與輸出正弦波信號(hào)的同步性，將PPS信號(hào)與該正弦波信號(hào)的同步輸出分別連至高速示波器的兩個(gè)通道，測(cè)量它們的延遲時(shí)間即可。此外，如果有必要，可通過(guò)函數(shù)發(fā)生器的觸發(fā)延時(shí)功能補(bǔ)償該延遲時(shí)間。
[0013]鑒于全張量磁梯度有5個(gè)獨(dú)立分量，為補(bǔ)償梯度計(jì)的不平衡度并保證梯度信息冗余，超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置通常會(huì)包括9個(gè)超導(dǎo)磁傳感器，即需要9個(gè)SQUID讀出電路?？紤]到SQUID讀出電路的Test功能是通過(guò)外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)SQUID旁邊的Feedback線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為保證函數(shù)發(fā)生器輸出并用于測(cè)試的正弦波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力以及SQUID讀出電路之間的電磁兼容，利用與SQUID讀出電路數(shù)目對(duì)等的電壓跟隨器分別驅(qū)動(dòng)它們用于Test的Feedback線圈，其中電壓跟隨器為定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，是基于高速運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)的，而且采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以保證各通道的延時(shí)相同。
[0014]完成上述工作后，首先將超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)放置在磁屏蔽室中，并調(diào)整函數(shù)發(fā)生器使其處于等待外觸發(fā)狀態(tài)；然后調(diào)節(jié)SQUID讀出電路的工作參數(shù)使它們正常工作后，以整秒為單位指定時(shí)間觸發(fā)數(shù)據(jù)采集與通訊組件中Delta-Sigma類(lèi)型ADC，同時(shí)通過(guò)數(shù)字10觸發(fā)函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生與PPS信號(hào)上升沿同步的零相位正弦波信號(hào)；隨后記錄所有超導(dǎo)磁測(cè)量通道的重采樣數(shù)據(jù)，并測(cè)量該采樣數(shù)據(jù)所有磁測(cè)量通道信號(hào)在整秒時(shí)間后的相位或者將該采樣信號(hào)分成N個(gè)整秒數(shù)據(jù)，在拋棄第一個(gè)整秒數(shù)據(jù)后測(cè)量它們的相位并求算術(shù)平均值，這里以整秒為單位拋棄最前面一段數(shù)據(jù)的原因是Delta-Sigma類(lèi)型ADC的工作原理所致；最后將這些相位(如果為負(fù)數(shù)，則需要轉(zhuǎn)換為正數(shù))換算成與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間，換算方法是:相位除以360后再除以函數(shù)發(fā)生器輸出正弦波信號(hào)的頻率，即可通過(guò)并行測(cè)量獲得超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置所有磁測(cè)量通道數(shù)據(jù)與GPS組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的同步精度，從而完成相關(guān)的標(biāo)定工作。
[0015]需要注意的是，如果在標(biāo)定超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度時(shí)，需要直接使用測(cè)試數(shù)據(jù)提取相位信息，可在以整秒為單位指定觸發(fā)采集時(shí)間的前面幾秒(如2秒)，提前使用函數(shù)發(fā)生器的外觸發(fā)功能產(chǎn)生與GPS組合導(dǎo)航PPS信號(hào)上升沿同步的零相位正弦波信號(hào)，但此時(shí)的零相位正弦波信號(hào)頻率必須是正整數(shù)，然后按照上述方法采集即可避開(kāi)最前面采集數(shù)據(jù)不可用的情況，即不需要再拋棄第一個(gè)整秒數(shù)據(jù)。
[0016]本發(fā)明的有益效果是，本發(fā)明提出一種高效的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度標(biāo)定方法，不但能提供十微秒級(jí)的同步測(cè)量精度，而且還能并行測(cè)量超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置所有被測(cè)通道的同步精度，并可按照所述方法快速搭建標(biāo)定用的裝置。此外，按本發(fā)明所述方法構(gòu)建的所述裝置，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本低廉，可操作性強(qiáng)，對(duì)成功研制超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置意義重大。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]圖1是超導(dǎo)全張量磁梯度核心測(cè)控裝置的硬件框圖。
[0019]圖2是標(biāo)定超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的硬件框圖。
[0020]圖3是定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路的硬件框圖。
[0021]圖中1.CompactR1 控制器 NI CR10 9025，2.CompactR1 可重配置機(jī)箱 NI CR109118，3.Delta-Sigma 型 ADC NI 9239A，4.Delta-Sigma 型 ADC NI 9239B,5.Delta-Sigma型ADC NI 9239C，6.數(shù)字10模塊NI 9402，7.GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI，8.工作環(huán)境監(jiān)測(cè)組件，9.SQUID讀出電路，10.串口通訊模塊NI 9871,11.函數(shù)發(fā)生器33622A，12.高速示波器DS09404A, 13.定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路，14.電壓跟隨器。

【具體實(shí)施方式】
[0022]為使本發(fā)明的目的、具體方案和優(yōu)點(diǎn)更加清晰，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0023]本發(fā)明所涉及的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置主要由CompactR1控制器NI CR109025 1、CompactR1 可重配置機(jī)箱 NI CR10 9118 2、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239A 3、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239B 4、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239C 5、數(shù)字 10 模塊 NI 94026、GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI 7、工作環(huán)境監(jiān)測(cè)組件8、SQUID讀出電路9以及串口通訊模塊NI9871 10 組成，其框圖如圖 1 所示。其中 Delta-Sigma 型 ADC NI 9239A 3,Delta-Sigma ΜADC NI 9239B 4、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239C 5、串口通訊模塊 NI 9871 10 以及數(shù)字 10模塊NI 9402 6均是Nat1nal Instruments公司標(biāo)準(zhǔn)的C系列模塊，插入CompactR1可重配置機(jī)箱N(xiāo)I CR10 9118 2對(duì)應(yīng)的槽位中，并與CompactR1控制器NI CR10 9025 1 一起構(gòu)成完整的CompactR1開(kāi)發(fā)平臺(tái)后才能正常工作，該平臺(tái)是Nat1nal Instruments公司提供并用于測(cè)控的標(biāo)準(zhǔn)模塊化產(chǎn)品；GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI 7用于獲取超導(dǎo)磁測(cè)量組件的飛行位置與姿態(tài)信息，其輸出的秒脈沖信號(hào)PPS通過(guò)同軸線與數(shù)字10模塊NI 9402 6的一個(gè)端口連接，而其輸出授時(shí)時(shí)間、位置姿態(tài)等信息的接口則與串口通訊模塊NI 9871 10的一個(gè)RS422端口連接，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，首先采用數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI 7秒脈沖信號(hào)PPS倍頻產(chǎn)生重采樣的時(shí)鐘，然后利用CompactR1可重配置機(jī)箱N(xiāo)I CR10 91182背板上的FPGA以計(jì)數(shù)器的方式獲得ADC采樣時(shí)鐘與重采樣時(shí)鐘的相位關(guān)系從而完成對(duì)SQUID讀出電路9原始測(cè)量信號(hào)的重采樣；隨后在接收到PPS信號(hào)時(shí)由串口讀取此時(shí)GPS的精確授時(shí)時(shí)間，最后再與GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI 7中存儲(chǔ)的帶有時(shí)間戳的位置和姿態(tài)信息融合后來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。工作環(huán)境監(jiān)測(cè)組件8用于測(cè)量超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的輔助量，包括溫濕度、氣壓、液氦液位等參數(shù)，并過(guò)RS485接口與串口通訊模塊NI 9871 10適配；SQUID讀出電路9用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)磁場(chǎng)到電量的轉(zhuǎn)換，采用標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)工作模式，共9個(gè)通道，前4個(gè)通道為一組分別連接至Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3的四個(gè)通道，接下來(lái)的4個(gè)通道為另一組分別連接至Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4的四個(gè)通道，剩下的一個(gè)通道則連接至Delta-Sigma型ADC NI 9239C 5，并通過(guò)與串口通訊模塊NI 9871 10的剩余RS485接口中一個(gè)適配以實(shí)現(xiàn)控制。
[0024]根據(jù)上述超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的工作原理，通過(guò)計(jì)算可知在常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域(比如測(cè)量精度為0.05nT/m的航空超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量裝置)中影響超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度的因素如下:SQUID讀出電路9的信號(hào)響應(yīng)延遲tl、Delta-Sigma型ADCNI 9239的過(guò)采樣延遲t2、CompactR1可重配置機(jī)箱N(xiāo)I CR10 9118 2進(jìn)行重采樣后的時(shí)間延遲t3。
[0025]鑒于磁測(cè)量數(shù)據(jù)只需與GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI 7的秒脈沖信號(hào)PPS同步即可滿(mǎn)足一般情況下超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)的姿態(tài)投影要求，因此所述方法利用PPS信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)與其上升沿同步的零相位正弦波信號(hào)；然后通過(guò)定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路13分別輸入到圖1所示超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置中SQUID讀出電路9的9個(gè)Test端口(SQUID讀出電路9每個(gè)通道有一個(gè)Test接口)，并在SQUID正常工作后于指定的整秒時(shí)間觸發(fā)采集9個(gè)超導(dǎo)磁測(cè)量通道的信息；隨后測(cè)量該采樣數(shù)據(jù)9個(gè)磁測(cè)量通道信號(hào)在整秒時(shí)間(如2秒)后的相位，也可將9個(gè)磁測(cè)量通道的采集信號(hào)分成N個(gè)整秒(如2秒)數(shù)據(jù)，在拋棄第一個(gè)整秒數(shù)據(jù)后測(cè)量它們的相位并求算術(shù)平均值；最后將這些相位轉(zhuǎn)換為正數(shù)并換算成與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間，即可獲得圖1所示超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度，從而完成相關(guān)的標(biāo)定工作。
[0026]綜上所述，采用所述方法構(gòu)建的裝置如圖2所示，包括函數(shù)發(fā)生器33622A11、高速示波器DS09404A 12、定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路13以及圖1所示的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置，而采用所述方法構(gòu)建標(biāo)定裝置的這些組件均是獨(dú)立的，并無(wú)固定的結(jié)構(gòu)連接方式，圖2作為一個(gè)實(shí)施方式，在工作時(shí)只需如圖2所示通過(guò)線纜連接對(duì)應(yīng)的信號(hào)接口即可。
[0027]其中a)函數(shù)發(fā)生器(11)與數(shù)字1模塊NI 9402(6)相連；
[0028]b)高速示波器CHl端連接在數(shù)字1模塊(6)與輸出秒脈沖信號(hào)PPS相連的同軸線上；另一端CH2則與函數(shù)發(fā)生器(11)連接；
[0029]c)定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路(13)的一端與函數(shù)發(fā)生器相連，另一端則與SQUID讀出電路的Test端相連。
[0030]本發(fā)明產(chǎn)生與GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI 7的PPS信號(hào)上升沿同步的零相位正弦波信號(hào)(比如頻率為IKHz)方法如下:首先將數(shù)字1模塊NI 9402 6中除接收PPS信號(hào)數(shù)字1 口 CHl之外的另一個(gè)數(shù)字1 口 CH2連接至函數(shù)發(fā)生器33622A 11的外觸發(fā)接口 ；然后通過(guò)在原測(cè)控裝置的程序上編程使接收PPS信號(hào)數(shù)字1 口 CHl在檢測(cè)到通過(guò)時(shí)間觸發(fā)Delta-Sigma型ADC NI 9239采集的PPS信號(hào)上升沿時(shí)，置位與函數(shù)發(fā)生器33622A 11外觸發(fā)接口相連的數(shù)字1 口 CH2，從而利用函數(shù)發(fā)生器33622A 11的外觸發(fā)功能(上升沿觸發(fā))輸出與其同步的零相位正弦波信號(hào)。為監(jiān)測(cè)PPS信號(hào)與輸出正弦波信號(hào)的同步性，將PPS信號(hào)與該正弦波信號(hào)的同步輸出分別連至高速示波器DS09404A 12的兩個(gè)通道CHl和CH2，測(cè)量它們的延遲時(shí)間即可。此外，如果有必要，可通過(guò)函數(shù)發(fā)生器33622A 11的觸發(fā)延時(shí)功能補(bǔ)償該延遲時(shí)間。
[0031 ] 圖1所示超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置包括9個(gè)超導(dǎo)磁傳感器，即需要9個(gè)SQUID讀出電路?？紤]到SQUID讀出電路9的Test功能是通過(guò)外部信號(hào)驅(qū)動(dòng)SQUID旁邊的Feedback線圈來(lái)實(shí)現(xiàn)的，為保證函數(shù)發(fā)生器33622A 11輸出并用于測(cè)試的正弦波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)能力以及SQUID讀出電路9各通道之間的電磁兼容，利用包含9個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電壓跟隨器14的定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路13分別驅(qū)動(dòng)它們用于Test的Feedback線圈，其中電壓跟隨器14是基于美國(guó)ADI公司高速運(yùn)算放大器AD8021設(shè)計(jì)的，采用而且采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以保證各通道的延時(shí)相同，其硬件框圖如圖3所示。
[0032]在完成上述工作后，即可進(jìn)入超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度標(biāo)定的核心環(huán)節(jié)。首先將需要標(biāo)定的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)放置在磁屏蔽室中，并調(diào)整證函數(shù)發(fā)生器33622A 11使其處于等待外觸發(fā)狀態(tài)；然后調(diào)節(jié)SQUID讀出電路9的工作參數(shù)使它們正常工作后，以整秒為單位指定時(shí)間(比如30秒后)觸發(fā)數(shù)據(jù)采集與通訊組件中Delta-Sigma 型ADC NI 9239A 3、DeIta-Sigma型 ADC NI 9239B 4 以及 Delta-Sigma 型ADCNI 9239C 5，并記錄在函數(shù)發(fā)生器33622A 11觸發(fā)輸出后9個(gè)超導(dǎo)磁測(cè)量通道重采樣后的數(shù)據(jù)；隨后測(cè)量該采樣數(shù)據(jù)9個(gè)磁測(cè)量通道信號(hào)在整秒時(shí)間后(如2秒)的相位或者將該采樣信號(hào)分成N個(gè)整秒(如2秒)數(shù)據(jù)，在拋棄第一個(gè)整秒數(shù)據(jù)后測(cè)量它們的相位并求算術(shù)平均值，這里以整秒為單位拋棄最前面一段數(shù)據(jù)的原因是Delta-Sigma類(lèi)型ADC的工作原理所致；最后將這些相位(如果為負(fù)數(shù)，則需要轉(zhuǎn)換為正數(shù))換算成與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間，換算方法是:相位除以360后再除以函數(shù)發(fā)生器33622A 11輸出正弦波信號(hào)的頻率，即可通過(guò)并行測(cè)量獲得圖1所示超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置中9個(gè)磁測(cè)量通道數(shù)據(jù)與GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI7數(shù)據(jù)的同步精度，從而完成相關(guān)的標(biāo)定工作。
[0033] 以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度的平行標(biāo)定方法，其特征在于首先采用數(shù)字鎖相環(huán)對(duì)GPS組合慣導(dǎo)秒脈沖信號(hào)PPS倍頻產(chǎn)生重采樣的時(shí)鐘，然后利用計(jì)數(shù)器獲得ADC采樣時(shí)鐘與重采樣時(shí)鐘的相位關(guān)系從而完成對(duì)原始信號(hào)的重采樣；隨后在接收到PPS信號(hào)時(shí)由串口讀取此時(shí)GPS的精確授時(shí)時(shí)間，最后再與GPS組合慣導(dǎo)中存儲(chǔ)的帶有時(shí)間戳的位置和姿態(tài)信息融合后來(lái)實(shí)現(xiàn)同步。
2.按權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于首先利用PPS信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)與其上升沿同步的零相位正弦波信號(hào)；然后通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路分別輸入到超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置中所有SQUID讀出電路的Test接口，并在SQUID正常工作后于指定的整秒時(shí)間觸發(fā)采集上述所有超導(dǎo)磁測(cè)量通道的信息；隨后測(cè)量該采樣數(shù)據(jù)所有磁測(cè)量通道信號(hào)在整秒時(shí)間后的相位，也可將所有磁測(cè)量通道的采集信號(hào)分成N個(gè)整秒數(shù)據(jù)，在拋棄第一個(gè)整秒數(shù)據(jù)后測(cè)量它們的相位并求算術(shù)平均值；最后將這些相位轉(zhuǎn)換為正數(shù)并換算成與之對(duì)應(yīng)的時(shí)間即可獲得超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度，從而完成相關(guān)的標(biāo)定工作。
3.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于影響超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置同步精度的因素包括=SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲、Delta-Sigma類(lèi)型ADC的過(guò)采樣延遲、重采樣后的時(shí)間延遲、接收PPS信號(hào)的數(shù)字1信號(hào)延遲以及GPS組合慣導(dǎo)中PPS信號(hào)與位置姿態(tài)信號(hào)的同步誤差。
4.按權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量系統(tǒng)要求的同步精度在十微秒量級(jí)，對(duì)最后兩個(gè)時(shí)間延遲在一微秒以下的因素在一般情況下不考慮，即磁測(cè)量數(shù)據(jù)只需與GPS的秒脈沖信號(hào)PPS同步即可滿(mǎn)足與運(yùn)動(dòng)位置及姿態(tài)數(shù)據(jù)的同步要求。
5.按權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于: ①為產(chǎn)生一個(gè)與GPS組合導(dǎo)航的PPS信號(hào)上升沿同步的零相位正弦波信號(hào)，首先將可與接收PPS信號(hào)數(shù)字1并行工作的雙向數(shù)字1 口連接至函數(shù)發(fā)生器的外觸發(fā)接口 ；然后在接收PPS信號(hào)數(shù)字1檢測(cè)到通過(guò)時(shí)間觸發(fā)Delta-Sigma類(lèi)型ADC采集的PPS信號(hào)上升沿時(shí)，同時(shí)置位與函數(shù)發(fā)生器的外觸發(fā)接口相連的數(shù)字1 口，使函數(shù)發(fā)生器輸出與其同步的零相位正弦波信號(hào)； ②為監(jiān)測(cè)PPS信號(hào)與輸出正弦波信號(hào)的同步性，將PPS信號(hào)與該正弦波信號(hào)的同步輸出分別連至高速示波器的兩個(gè)通道，測(cè)量它們的延遲時(shí)間即可； ③或通過(guò)函數(shù)發(fā)生器的觸發(fā)延遲功能補(bǔ)償該延遲時(shí)間。
6.按權(quán)利要求1-5所述的方法,其特征在于: ①提供十微秒級(jí)的同步測(cè)量精度； ②所述的平行標(biāo)定法是指超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的同步精度標(biāo)定，是一個(gè)一個(gè)通道標(biāo)定或是一次性全部標(biāo)定。
7.由權(quán)利要求1-5所述的方法構(gòu)建的測(cè)控裝置，其特征在于: ①所涉及的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置主要由CompactR1控制器NICR1 9025 (I)、CompactR1 可重配置機(jī)箱 NI CR1 9118 (2)、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239A(3)、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239B (4)、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239C (5)、數(shù)字 1 模塊 NI9402 (6)、GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI (7)、工作環(huán)境監(jiān)測(cè)組件⑶、SQUID讀出電路(9)以及串口通訊模塊 NI 9871(10)組成;其中，Delta-Sigma 型 ADC NI 9239A (3)、Delta-Sigma 型 ADCNI 9239B(4)、Delta-Sigma型ADC NI 9239C (5)、串口通訊模塊NI 9871(10)以及數(shù)字 1模塊NI 9402(6)均是Nat1nal Instruments公司標(biāo)準(zhǔn)的C系列模塊,插入CompactR1可重配置機(jī)箱N(xiāo)I CR1 9118(2)對(duì)應(yīng)的槽位中，并與CompactR1控制器NI CR1 9025(1) 一起構(gòu)成完整的CompactR1開(kāi)發(fā)平臺(tái)后,該平臺(tái)是Nat1nal Instruments公司提供并用于測(cè)控的標(biāo)準(zhǔn)模塊化產(chǎn)品；GPS組合慣導(dǎo)SPAN LCI (7)用于獲取超導(dǎo)磁測(cè)量組件的飛行位置與姿態(tài)信息，其輸出的秒脈沖信號(hào)PPS通過(guò)同軸線與數(shù)字1模塊NI 9402 (6)的一個(gè)端口連接，而其輸出授時(shí)時(shí)間、位置姿態(tài)信息的接口則與串口通訊模塊NI9871 (10)的一個(gè)RS422端口連接；工作環(huán)境監(jiān)測(cè)組件(8)用于測(cè)量超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的包括溫濕度、氣壓或液氦液位參數(shù)輔助量；并過(guò)RS485接口與串口通訊模塊NI 9871(10)適配；SQUID讀出電路(9)用于實(shí)現(xiàn)被測(cè)磁場(chǎng)到電量的轉(zhuǎn)換，采用標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)工作模式，共9個(gè)通道，前4個(gè)通道為一組分別連接至Delta-Sigma型ADC NI 9239A(3)的四個(gè)通道，接下來(lái)的4個(gè)通道為另一組分別連接至Delta-Sigma型ADC NI 9239B(4)的四個(gè)通道，剩下的一個(gè)通道則連接至Delta-Sigma型ADC NI 9239C(5)，并通過(guò)與串口通訊模塊NI 9871(10)的剩余RS485接口中一個(gè)適配以實(shí)現(xiàn)控制； ②在①所述的測(cè)控裝置基礎(chǔ)上，增加函數(shù)發(fā)生器33622A (II)、高速示波器DS09404A(12)和測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路(13)通過(guò)線纜連接對(duì)應(yīng)的信號(hào)接口 ； 其中a)函數(shù)發(fā)生器(11)與數(shù)字1模塊NI 9402(6)相連； b)高速示波器CHl端連接在數(shù)字1模塊(6)與輸出秒脈沖信號(hào)PPS相連的同軸線上；另一端CH2則與函數(shù)發(fā)生器(11)連接； c)定制的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路(13)的一端與函數(shù)發(fā)生器相連，另一端則與SQUID讀出電路的Test端相連。
8.按權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于包含9個(gè)電壓跟隨器(14)的測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電壓(13)分別驅(qū)動(dòng)它們應(yīng)予Test的Feedback線圈，以保證函數(shù)發(fā)生器33622A(11)輸出并用于測(cè)試正弦波信號(hào)的驅(qū)動(dòng)以及SQUID讀出電路(9)各通道之間電磁兼容。
9.按權(quán)利要求8所述的裝置，其特征在于: ①測(cè)試信號(hào)驅(qū)動(dòng)電路(13)包含的9個(gè)電壓跟隨器(14)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以保證各通道延遲相同； ②所述的電壓跟隨器(14)是由美國(guó)ADI公司高速運(yùn)算放大器AD8021設(shè)計(jì)的。
【文檔編號(hào)】G01C25/00GK104457793SQ201410742699
【公開(kāi)日】2015年3月25日 申請(qǐng)日期:2014年12月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月8日
【發(fā)明者】伍俊, 榮亮亮, 邱隆清, 孔祥燕, 謝曉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所