一種航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)同步精度的標(biāo)定裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及一種航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)同步精度的標(biāo)定方法及裝置，尤其是一種航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)的GPS組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)與磁測量數(shù)據(jù)在同步精度上的標(biāo)定方法及裝置，屬于超導(dǎo)應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]航空磁測量技術(shù)是通過從航空搭載磁測量設(shè)備測量磁性礦產(chǎn)資源引起的地磁場微弱變化，并借助于信息處理技術(shù)實現(xiàn)對地下礦體的空間分布成像，來了解和評價探測區(qū)域的磁性礦產(chǎn)資源及其分布概況，具有探測效率高，單位面積運行成本低等特點，是進行資源普查和篩選找礦靶區(qū)的重要手段之一。
[0003]由超導(dǎo)量子干涉儀(SQUID Superconducting QUantum Interference Device)組成的超導(dǎo)磁傳感器是目前已知靈敏度最高的磁傳感器，能夠測量非常微弱的磁信號，而由SQUID作為核心器件組成的航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)，尤其是國內(nèi)近年才發(fā)展的航空超導(dǎo)全張量磁梯度測量系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的總場和分量場航磁測量，具有明顯的優(yōu)勢和跨時代的意義，是目前航空磁物探技術(shù)的重要發(fā)展方向和國際研宄前沿。
[0004]由于航空平臺是運動的，因此需要在實現(xiàn)其測量系統(tǒng)原始輸出信號同步采集的同時，還須通過高精度的姿態(tài)投影進行磁補償以消除SQUID切割地球磁場所引入的干擾。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)，而且更需要磁測量數(shù)據(jù)與GPS組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的高精度同步來保障。
[0005]鑒于與超導(dǎo)磁傳感器適配的Delta-Sigma類型ADC是基于過采樣的原理，其內(nèi)部主時鐘頻率高達十幾MHz，需要由板載時鐘提供，而無法通過GPS信號獲得，因此在獨立時鐘的工作模式下獲取的磁測量數(shù)據(jù)與GPS組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)的同步性是不能保障的，即使在使用秒脈沖信號PPS(Pulses Per Second)數(shù)字鎖相再重采樣后也還存在不可忽略的因素。此夕卜，SQUID讀出電路工作在磁通鎖定環(huán)(FLL:Flux-Locked Loop)模式下時，會因為積分電容的存在而存在信號延時，而且還隨積分電容的選擇而變化。因此航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)的同步性需要標(biāo)定，必要時還須以重采樣的方式進行校正。
[0006]研制航空超導(dǎo)磁測量裝置對國家礦產(chǎn)資源保障體系的建設(shè)和國民(中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研宄所)經(jīng)濟發(fā)展均具有十分重要的意義，但目前我國在航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)研制方面，除本單位承擔(dān)的由中央財政部主持的“航空超導(dǎo)全張量磁梯度測量裝置”重大儀器專項等項目外，尚未開展任何相關(guān)的研宄，國外也鮮有報道，本發(fā)明人尚未見相關(guān)技術(shù)的報道，從而與之配套的輔助裝置幾乎需要從零開始構(gòu)建。
[0007]綜上所述，在我國尚未見有關(guān)航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)同步精度標(biāo)定方法及裝置的公開報道，而其成功研制對具有戰(zhàn)略意義的航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)至關(guān)重要。從而引導(dǎo)出本申請的構(gòu)思。
【實用新型內(nèi)容】
[0008]為了解決航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)同步精度的標(biāo)定問題，本實用新型提供一種基于加速度計相位測量的航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)同步精度的標(biāo)定方法及裝置。所述方法在分析給出所有影響同步環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)上不僅能提供真正意義上的百納秒級同步測量精度，而且還能在系統(tǒng)測控裝置的基礎(chǔ)上快速搭建所述裝置。
[0009]本實用新型解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)的測控裝置主要由SQUID讀出電路、數(shù)據(jù)采集與通訊組件、飛行位置與姿態(tài)信息記錄組件、工作環(huán)境監(jiān)測組件以及人機界面組件組成。通常由GPS組合慣導(dǎo)提供的飛行位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與磁測量數(shù)據(jù)的同步是利用秒脈沖信號PPS數(shù)字鎖相后的倍頻時鐘對原始信號進行重采樣，并在接收到PPS信號時由串口通訊接口讀取此時GPS的精確授時時間，然后再與GPS組合慣導(dǎo)中存儲的帶有時間戳的位置和姿態(tài)信息融合后來實現(xiàn)的?？梢?，影響航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)同步精度的因素包括:SQUID讀出電路的信號響應(yīng)延遲、Delta-Sigma類型或SAR類型ADC的過采樣延遲、重采樣后的時間延遲、接收PPS信號的數(shù)字1信號延遲以及GPS組合慣導(dǎo)中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差，其中最后兩個因素在一般情況下可以不考慮，但為全面考量系統(tǒng)的同步精度，同時鑒于GPS組合慣導(dǎo)的技術(shù)指標(biāo)未提供PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差，所以本實用新型需針對航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)的特殊性提供了相應(yīng)的標(biāo)定方法。
[0010]鑒于航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)中真正需要同步的從最終使用的角度來看是飛行位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與磁測量數(shù)據(jù)，而通常獲取這兩種信息測量組件的工作時鐘是獨立的，無法直接同步，更無法預(yù)知信號傳輸路徑上的各種延時，因此本實用新型提供的同步精度的標(biāo)定方法結(jié)合GPS組合慣導(dǎo)能直接測量加速度和角速度這一特點，在待評估的系統(tǒng)測控裝置中引入一模擬輸出的加速度傳感器及其配套組件；然后通過對比它們在同時測量同一正弦振動源所得的加速度數(shù)據(jù)可獲取到相位延遲信息，再經(jīng)換算即可獲得與之對應(yīng)的時間信息；最后再將標(biāo)定后的SQUID讀出電路和引入加速度傳感器的延時與上述時間信息做代數(shù)運算即可獲得所測系統(tǒng)的同步精度，從而完成相關(guān)的標(biāo)定工作。也就是說，在航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)原測控裝置中替換影響同步精度直接標(biāo)定的組件，引入可與GPS組合慣導(dǎo)測量同一標(biāo)定源的傳感器組件及其配套設(shè)備，然后以相位或時間延遲測量的方式在分別標(biāo)定所有影響系統(tǒng)同步精度的因素后，再利用代數(shù)運算間接計算出系統(tǒng)的同步精度，從而完成高精度的標(biāo)定。從而提供真正意義上的百納秒級同步測量精度。
[0011]綜合上述影響標(biāo)定航空超導(dǎo)磁測量系統(tǒng)同步精度的因素，由所述的標(biāo)定方法構(gòu)建的裝置通常包括高速示波器、函數(shù)發(fā)生器、模擬輸出的加速度計、SAR型高速ADC、標(biāo)準(zhǔn)的振動測試臺以及被測系統(tǒng)的測控裝置，其中SAR型高速ADC應(yīng)能兼容被測系統(tǒng)的測控裝置，并具有同步采集功能。此外，所述裝置中模擬輸出的加速度計和標(biāo)準(zhǔn)的振動測試臺需要通過螺栓剛性連接，而SAR型高速ADC則作為擴展模塊在需要時插在測控裝置的空余槽位中，其他均通過線纜連接。
[0012]鑒于接收PPS信號的數(shù)字1是采用同步精度極高的FPGA架構(gòu)設(shè)計，首先設(shè)置與其并行工作的另外兩個數(shù)字1 口為輸出端口 ；然后以編程的方式使其中一個數(shù)字1接口生成定周期的方波信號，而另一個則用于在接收PPS信號的數(shù)字1 口檢測到輸入的該方波信號后，輸出與其同極性同周期的方波信號；最后通過高速示波器測量這兩個方波的時間延遲，即可獲得兩倍于接收PPS信號數(shù)字1的延遲。
[0013]SAR型高速ADC用于采集加速度計的模擬輸出，雖然它可按照輸入的外時鐘信號進行采樣，但由于存在模數(shù)轉(zhuǎn)換時間和前端信號調(diào)理，其信號采集過程的延遲有幾個us。為獲得該延遲的準(zhǔn)確值，首先讓工作于同一 FPGA芯片下的高速數(shù)字1接收函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的采樣時鐘(TTL的方波)，同時讓函數(shù)發(fā)生器的另一通道生成標(biāo)準(zhǔn)的零相位正弦波信號，并輸出到SAR型高速ADC，其頻率是采樣時鐘的I/η (如1/100)，而且相位同步；然后利用FPGA的計數(shù)功能在整秒鐘后(如I秒)開始記錄一定長度(如2秒)的采樣數(shù)據(jù)；隨后測量該采集數(shù)據(jù)的相位，即可經(jīng)換算獲得SAR型高速ADC在采樣過程中的延遲。
[0014]加速度傳感器即使在模擬輸出的情況下也會存在響應(yīng)延遲時間，對于本實用新型選擇的MEMS加速度計(ADXL203)和市面常見的加速度傳感器一樣，其響應(yīng)時間并未在技術(shù)指標(biāo)中給出，而采用本實用新型所述方法實現(xiàn)同步精度測量，必須知道此響應(yīng)延遲時間。測量加速度傳感器響應(yīng)延遲時間的方法有以下兩種:方法一是通過測量標(biāo)準(zhǔn)振動測試臺的加速度及能迅速反映其位移的電阻變化值間接獲取，首先將定制的MEMS加速度計最小系統(tǒng)固定于標(biāo)準(zhǔn)的振動測試臺上，而標(biāo)準(zhǔn)的振動測試臺則與精密滑動變阻器的滑動端剛性連接，以實現(xiàn)精密滑動變阻器的電阻可隨振動測試臺的位移改變；然后將加速度計在Z軸方向的模擬輸