一種基于gps同步的航空超導全張量磁梯度測控裝置制造方法

一種基于gps同步的航空超導全張量磁梯度測控裝置制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于GPS同步的航空超導全張量磁梯度測控裝置，其特征在于所述的裝置位于懸吊與吊艙子系統中的吊艙內；航空超導全張量磁梯度測控裝置由SQUID讀出電路、數據采集與通訊組件、飛行位置與姿態信息記錄組件、工作環境監測組件以及人機界面組件組成，并以數據采集與通訊組件為核心采用星型拓撲結構連接其它四個組件。本裝置基于GPS授時功能通過數字鎖相環生成的PPS倍頻采樣時鐘對指定時間的特定信號重采樣后，利用時間戳實現與GPS組合慣導給出的位置和姿態信息同步，從而通過姿態投影為反演奠定基礎；并且所述裝置特點是實現簡單、可擴展性和可靠性高，非常適合在航空平臺下應用。
【專利說明】—種基于GPS同步的航空超導全張量磁梯度測控裝置

【技術領域】
[0001]本發明涉及一種航空超導全張量磁梯度測控裝置，尤其是一種基于GPS實現同步采集并具有姿態補償和SQUID讀出電路智能調控功能的航空超導全張量磁梯度測控裝置。

【背景技術】
[0002]航空超導全張量磁梯度測量系統是通過在航空平臺上搭載磁測設備，利用飛行過程中獲取的由磁性礦產資源引起的地磁異常信息，從而實現對地下磁性地質性和礦體高效率、聞精度的二維定位，并獲取它們的空間分布?目息。它具有探測效率聞，單位面積運行成本低等特點，并相對總場和分量場航磁測量，具有跨時代的意義，是目前航空磁物探技術的重要發展方向和國際研究前沿。
[0003]組成超導全張量磁梯度計的核心器件是超導量子干涉儀(SQUID:Superconducting QUantum Interference Device),而由 SQUID 組成的超導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，而且利用SQUID測量磁梯度時傳感器間距小(厘米級)，是目前實現高靈敏全張量磁梯度測量的唯一選擇。不過SQUID在存在諸多優點的同時也存在一些局限，首先組成超導全張量磁梯度計的核心器件SQUID由于工藝的局限性，在每次上電工作時，需要手工或自動調整其多變的讀出電路工作參數；其次SQUID對射頻和渦流非常敏感，經常由于電磁兼容處理不到位導致其工作不正常；再者由于航空測量平臺是運動的，需要在實現其原始輸出信號同步采集的同時，還須通過高精度的姿態投影進行磁補償以消除切割地磁場所引入的干擾。由于上述局限性的存在，從而對航空超導全張量磁梯度測控裝置的研制提出了很大的挑戰。
[0004]研制航空超導全張量磁梯度測量裝置對國家礦產資源保障體系的建設和國民經濟發展均具有十分重要的意義，但目前我國在航空超導全張量磁梯度測量系統研制方面，除中國科學院上海微系統與信息技術研究所承擔的由中央財政部主持的“航空超導全張量磁梯度測量裝置”重大儀器專項項目，尚未開展任何相關的研究，而且國外鮮有報道，從而與之配套的測控裝置幾乎需要從零開始構建。
[0005]綜上所述，在國內外尚未見有關航空超導全張量磁梯度測控裝置的公開報道，而其成功研制對我國礦產資源儲備具有十分重要的戰略意義。從而引導出本發明的構思。


【發明內容】

[0006]為了解決航空超導全張量磁梯度組件的測控問題，本發明提供一種基于GPS同步的航空超導全張量磁梯度測控裝置，該裝置不僅能在降低射頻干擾影響的基礎上實現SQUID讀出電路的智能調控，而且還能在廣域范圍內通過高精度的同步測量，并經姿態投影后有效消除在運動時切割地磁場所引入的干擾。
[0007]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:航空超導全張量磁梯度測量系統主要由飛行平臺、懸吊與吊艙子系統以及全張量測量子系統組成，其中航空超導全張量磁梯度測控裝置位于懸吊與吊艙子系統中的吊艙內。從功能實現角度，航空超導全張量磁梯度測控裝置通常需要由SQUID讀出電路、數據采集與通訊組件、飛行位置與姿態信息記錄組件、工作環境監測組件以及人機界面組件組成，并以數據采集與通訊組件為核心采用星型拓撲結構連接其它四個組件，其中SQUID讀出電路用于實現磁梯度及參考磁場到電量的轉換；數據采集與通訊組件則用于完成全張量及其它輔助信號的同步采集、存儲和通訊；飛行位置與姿態信息記錄組件則用于記錄超導全張量磁梯度組件的位置和姿態信息；工作環境監測組件則用于提供全張量磁梯度測量系統的氣壓、溫濕度、液氦液位以及供電電池狀態等輔助信息；人機界面組件則用于以人機對話的方式展現所有被測對象的信息。
[0008]本發明涉及的SQUID讀出電路采用標準的傳統磁通鎖定環(FLL =Flux-LockedLoop)方式，用于實現磁梯度及參考磁場到電量的轉換，共9個通道模擬量，并配備RS485數字通訊控制接口，其中全張量信息由位于六棱錐上的六個SQUID平面梯度計給出，同時為了補償這六個梯度計不平衡度所導致的輸出，在其緊鄰區域的X、Y、Z方向分別增加一個磁強計。由于SQUID在上電時其工作參數存在一定的隨機性，因此本發明從實用角度出發在數據采集與通訊組件中增加了智能調控功能，其工作流程是:加載標準的Test信號后，在采集SQUID Tune (FLL未鎖定前)信號的基礎上，首先通過RS485數字通訊控制接口大尺度地調節其offset工作參數，并觀測其輸出的極性變化，從極性變化相反的方向利用二分法調節Tune信號的偏置值趨于零伏附近；然后采用遍歷方法在Tune信號不溢出的基礎上依次調整bias和offset工作參數，記錄其峰峰值的輸出并查詢最大值(電壓偏置工作模式則查詢最大值的0.9倍)；最后調節offset工作參數使該值對應Tune信號的偏置值趨于零，并以此時的bias和offset值為對應SQUID的最佳工作參數，鎖定FLL。按照以上方法則可依次按地址完成航空超導全張量磁梯度測控裝置中9個通道SQUID工作參數的調整。需要注意的是，在工作過程中監測到SQUID讀出電路失鎖后，同樣可利用該智能調控功能重新鎖定FLL。
[0009]根據航空超導全張量磁梯度測量系統的工作原理，其正常工作時不僅需要全張量磁梯度信息，而且需要與全張量磁梯度測量值對應的位置和姿態信息，其中姿態數據用于有效消除全張量磁梯度計在運動時切割地磁場所引入的干擾，此后才能綜合位置信息通過反演獲取地下磁性礦體的空間分布信息。為實現對超導全張量磁梯度測量組件位置和姿態信息的精確測量，本發明涉及的飛行位置與姿態信息記錄組件采用帶存儲功能的GPS組合慣導，本實例選用的是NovAtel公司的高精度GPS組合慣導系統SPAN-LCI。雖然GPS組合慣導雖然能解決高精度的位置和姿態信息測量，尤其是在差分GPS基礎上使用NovAtel公司的IE軟件做后處理后，但其數據是獨立的，需要和構成全張量的原始數據磁梯度和補償用的磁場數據同步后才能有意義。本發明的同步是基于GPS時間授時來實現的，并利用GPS組合慣導輸出的PPS信號來觸發采集，而加拿大NovAtel公司的SPAN-LCI提供了高精度的PPS信號和用于讀取授時時間、位置及姿態數據的數字接口 RS422。此外，GPS組合慣導需要與安裝全張量磁梯度計的杜瓦剛性連接，以防止飛行測量過程中產生相對移動。
[0010]在航空超導全張量磁梯度測量系統工作時，監測吊艙內部的氣壓和溫濕度、安裝SQUID用的杜瓦內部的液氦液位、測控裝置的供電電池電量等輔助信息對判斷系統的工作狀態至關重要，需要在獲取全張量磁梯度的同時一并獲取，不過其采樣率要低很多，選用ISa/s即可。鑒于杜瓦的液氦在飛行過程中氣化率會迅速增加，從而導致吊艙內溫濕度大范圍地波動，為了針對SQUID讀出電路和全張量磁梯度采集提供溫度補償功能，吊艙內部的氣壓和溫濕度采集應與全張量磁梯度同步，但因為溫濕度是緩變量，同步精度要求在ms量級即可。在本發明中除電池電量監測外，其他輔助信息的測量接口均采用簡潔的數字通訊接 Π RS485。
[0011]為增加系統的信息冗余度，本發明涉及的航空超導全張量磁梯度測控裝置在上述傳感器的基礎上增加Bartington公司的磁通門用于測量被測磁場的三分量，其輸出是三路模擬量。至此所有被測量已全部列出，需要數據采集與通訊組件與其接口，完成全張量磁梯度及其它輔助信號的同步采集、存儲和通訊。
[0012]本發明涉及的數據采集與通訊組件為滿足體積和功耗需求需要采用嵌入式系統定制，這里采用Nat1nal Instrument公司的圖形化CompactR1平臺開發。為實現超導全張量磁梯度9個通道信號和磁通門3個分量通道信號的高精度采集，選用3塊分辨率為24位的Delta-Sigma類型ADC模塊NI 9239，其中每個模塊具有4個同步采集通道；為實現GPS組合慣導和全張量磁梯度的同步，選用I塊高速數字1模塊NI 9402接收秒脈沖PPS信號，同時選用I塊串口通訊模塊NI9871通過RS422接口接收授時時間、位置及姿態數據，其中NI 9871具有4個串口通訊通道，富余的3個通道用于實現工作環境監測組件中采用數字通訊接口的被測量監測；為實現電池電量等輔助模擬量信息的監測，選用分辨率為12位SAR型ADC模塊NI 9221，不過電池的電壓已超過ADC模塊的最大輸入值，需要分壓后才能連接；結合上述模塊信息和數據處理的需求，選用CR1 9025實時嵌入式控制器和8槽的CR1 9118可配置嵌入式機箱構建CompactR1硬件開發平臺，其中前面提及的3塊NI9239、I塊9402、I塊NI 9871和I塊NI 9221均安裝在CR1 9118中。此外，數據采集與通訊組件還包括用于航空超導全張量磁梯度測控裝置供電的鋰電池和用于網口轉光纖接口的通訊模塊，而其軟件選用圖形化的LabVIEW開發平臺。
[0013]對于本發明中基于GPS時間授時實現數據采集同步的方式，有兩點需要特別指出的是:其一，Delta-Sigma類型ADC過采樣的工作原理決定了 NI 9239的內部主時鐘頻率要高達十幾MHz，從而必須使用其板載內部時鐘(在同一個CR1 9118內NI 9239可以共享時鐘)，而無法通過GPS信號獲得，這必然導致經過采樣輸出的采樣值在時間軸上只與其內部主時鐘頻率相關，但為實現同步采集，其采樣時鐘必須基于PPS信號通過數字鎖相環來提供，以防止內部主時鐘在長時間獨立工作時所引入的測量誤差；其二，鑒于同步采集涉及GPS組合慣導中的位置和姿態信息，因此使用NI 9239進行模擬采樣時，其采樣值必須由某指定采集時間的秒脈沖信號PPS觸發，并與基于PPS信號通過數字鎖相環生成的采樣時鐘同步，需要注意的是，在PPS觸發采集時需要通過NI 9871的RS422串口讀取GPS組合慣導的精確授時時間，以標志數據采集開始時間，從而與GPS組合慣導存儲的位置和姿態數據文件通過絕對時間戳同步。此外，為實現以上功能，需要計算NI 9239內部實際的采樣時鐘和由數字鎖相環生成的采樣時鐘之間的延時，然后通過重采樣的方式真正在廣域范圍內實現包括位置和姿態信息在內的同步采集。在獲得同步的全張量磁梯度及與其對應的姿態信息后，通過歐拉旋轉變換即可實現姿態投影。
[0014]在電磁兼容方面，鑒于航空超導全張量磁梯度測控裝置所在的吊艙空間限制，為降低數據采集與通訊組件(尤其是供電電源)和工作環境監測組件對SQUID的影響，將它們分別安裝于與吊艙匹配的兩個圓柱形箱體內，其中箱體材料采用非磁性材料鋁合金。此夕卜，為降低箱體金屬表面的渦流，在其表面采用滾花等工藝做局部分割后，再利用超級絕緣材料以帶狀搭接方式進行包裹。
[0015]基于CompactR1平臺開發的數據采集與通訊組件沒有人機界面，同時考慮到數據存儲的冗余設計以及在航空平臺上在線監測被測對象的需要，在作為航空平臺的直升機上安裝有帶光纖轉網口通訊模塊(Sixnet公司的SLX-5MS)的上位機，通過圖形化的LabVIEff開發平臺和關系型數據庫以人機對話的方式展現所有被測對象的信息，并存儲被測數據和經過信號處理后的數據。
[0016]綜上所述，本發明涉及一種基于GPS同步的航空超導全張量磁梯度測控裝置，在實現全張量磁梯度組件全自動測控的基礎上，通過與GPS組合慣導的位置和姿態信息同步為地質勘探提供反演數據，其特征是:采用SQUID讀出電路、數據采集與通訊組件、飛行位置與姿態信息記錄組件、工作環境監測組件以及人機界面組件構建，通過時間戳與GPS組合慣導的位置和姿態信息同步后，可利用串口指令實現SQUID讀出電路的智能調控，并可提供良好的電磁兼容性。
[0017]在GPS精準授時功能的基礎上，通過數字鎖相環生成的PPS倍頻采樣時鐘對指定時間開始采集的全張量磁梯度等特定信號進行重采樣后，然后利用時間戳實現與GPS組合慣導自存儲的位置和姿態信息同步，最后再通過經典的歐拉旋轉變換實現姿態投影，有效消除在運動時切割地磁場所引入的干擾。
[0018]在完成SQUID Tune信號同步采集的基礎上，結合二分和遍歷算法通過串口指令快速實現SQUID讀出電路的自動最優工作參數調整和鎖定，同時可在工作過程中提供失鎖后自動鎖定的功能。
[0019]通過在航空超導全張量磁梯度測控裝置所包含的箱體表面進行局部分割處理以及使用超級絕緣進行多層帶狀搭接包裹，從而實現測控裝置的EMC優化設計。
[0020]本發明的有益效果是，可以在實現國內首套航空超導全張量磁梯度測控裝置的同時，不但可以在有效降低射頻干擾影響的基礎上利用圖形化語言快速實現SQUID讀出電路的智能調控，而且還能很方便地在廣域范圍內利用GPS和重采樣實現高精度的同步測量，從而通過姿態投影有效消除在運動時切割地磁場所引入的干擾。本發明基于GPS授時功能通過數字鎖相環生成的PPS倍頻采樣時鐘對指定時間的特定信號重采樣后，利用時間戳實現與GPS組合慣導給出的位置和姿態信息同步，從而通過姿態投影為反演奠定基礎；所述裝置，在同步采集SQUID Tune信號的基礎上，結合二分和遍歷算法通過串口指令快速實現SQUID讀出電路的自動最優工作參數調整和鎖定；所述裝置，通過箱體表面處理和搭接包裹實現EMC優化設計，并且該裝置實現簡單、可擴展性和可靠性高，非常適合在航空平臺下應用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。
[0022]圖1是航空超導全張量磁梯度測控裝置結構框圖。
[0023]圖2是航空超導全張量磁梯度測控裝置硬件框圖。
[0024]圖3是基于GPS實現采集同步的工作原理流程圖。
[0025]圖4是數據采集與通訊組件箱體及其硬件布局圖。
[0026]圖中，1.吊艙，2.吊艙支架，3.數據采集與通訊組件，4.溫濕度及氣壓監測模塊，5.磁通門，6.SQUID讀出電路，7.杜瓦，8.低溫導線，9.全張量磁梯度組件，10.SQUID平面梯度計，11.GPS接收機及慣性測量單元頂U，12.光纖連接器A，13.光纖，14.光纖連接器B，15.上位機，16.人機界面組件箱體，17.光纖轉網口模塊，18.差分GPS基站，19.液氦液位計，20.GPS天線，21.供電電池，22.高精度ADC模塊A，23.高精度ADC模塊B，24.高精度ADC模塊C，25.SAR型ADC模塊，26.串口通訊模塊，27.數字1模塊，28.CompactR1可重配置機箱及控制器，29.網口轉光纖模塊，30.工作環境監測組件中數字接口部分，31.SQUID讀出電路及磁通門輸出，32.高精度ADC模塊，33.板載內部主時鐘，34.GPS接收機，35.數字鎖相環，36.PPS倍頻采樣時鐘，37.重采樣位置，38.原始采樣數據，39.信號重采樣，40.帶時間戳的定位及定向信息，41.NI公司C系列模塊，42.LEMO連接器。

【具體實施方式】
[0027]為使本發明的目的、具體方案和優點更加清晰，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0028]航空超導全張量磁梯度測控裝置主要用于實現全張量磁梯度組件9的測量和控制，如圖1所示，其主要由數據采集與通訊組件3、工作環境監測組件(溫濕度及氣壓監測模塊4、液氦液位計19以及分壓后的供電電池21)、磁通門5、SQUID讀出電路6、飛行位置與姿態信息記錄組件(GPS接收機及慣性測量單元IMU11、差分GPS基站18、、GPS天線20)、人機界面組件(上位機15、人機界面組件箱體16、光纖轉網口模塊17)組成。因工作環境和電磁兼容設計需求，航空超導全張量磁梯度測控裝置需要被安裝在采用非磁性材料加工的吊艙I中吊艙支架2上，其中吊艙支架2采用層架式結構設計，其第一層用于安裝杜瓦7，并在杜瓦7中配備了全張量磁梯度組件9、液氦液位計19以及用于傳輸信號低溫導線8，而系統的核心測量傳感器SQUID平面梯度計10被安裝在六棱錐的六個斜面上，用于補償的3個磁強計則被安裝在六棱錐內部一個正方體的三個正交平面上；第二層用于安裝采用模塊設計的SQUID讀出電路6，并通過低溫導線8與全張量磁梯度組件9相連；第三層用于安裝溫濕度及氣壓監測模塊4、磁通門5和GPS接收機和慣性測量單元MU11，它們均通過導線直接與數據采集與通訊組件3相連，其中溫濕度及氣壓監測模塊4采用圓柱體的機箱結構；第四層用于安裝同樣采用圓柱體機箱結構的數據采集與通訊組件3，并通過光纖連接器A12、光纖13和光纖連接器B14與位于飛行平臺上人機界面組件連接。需要注意的是，上述機構均采用無磁性的環氧材料螺栓剛性連接，以防止相對移動。此外，考慮到接收GPS信號的質量，GPS天線20安裝在吊艙I的頂部，并通過同軸線與GPS接收機及慣性測量單元MUll相連。為了在反演時提供全張量磁梯度組件9的精確位置信息，尤其高度信息，本發明在航空超導全張量磁梯度測控裝置中增加了 GPS基站18用于差分處理。
[0029]航空超導全張量磁梯度測控裝置的硬件配置是以CompactR1可重配置機箱及控制器28 (NI CR1 9118和NI CR1 9025)以及安放在CompactR1可重配置機箱NI CR191188個槽位中的高精度ADC模塊A22 (NI 9239)、高精度ADC模塊B23 (NI 9239)、高精度ADC 模塊 C24(NI 9239)、SAR 型 ADC 模塊 25 (NI 9221)、串口通訊模塊 26 (NI 9871)、數字 1模塊27 (NI 9402)組成的圖形化測控平臺為核心，其硬件配置框圖如圖2所示。可見，磁通門5輸出的信號通過雙絞屏蔽線與高精度ADC模塊A22的3個通道依次相連；SQUID讀出電路6輸出的9個通道模擬信號經LEMO連接器通過定制的多股雙絞屏蔽線分別高精度ADC模塊A22、高精度ADC模塊B23、高精度ADC模塊C24相連，而其RS485數字通訊控制接口則通過雙絞屏蔽線與串口通訊模塊26相連，隨后即可在CompactR1可重配置機箱及控制器28中根據智能調控算法利用高精度ADC模塊采集的數據和串口通訊模塊26實現SQUID讀出電路6的智能調控，并在工作過程中實時監測其9個通道的模擬輸出是否溢出，重新啟動智能調控功能將失鎖的SQUID讀出電路鎖定；航空超導全張量磁梯度測控裝置的供電電池21經分壓后通過雙絞線與SAR型ADC模塊25的接線端相連；工作環境監測組件中數字接口部分30包括溫濕度及氣壓監測模塊4和液氦液位計19，它們采用級聯的方式同樣通過雙絞屏蔽線與串口通訊模塊26相連；GPS接收機及慣性測量單元頂UlI的輸出包含高速1 口輸出的秒脈沖PPS和串口輸出的精確授時、位置及姿態信息，其中秒脈沖PPS通過同軸線纜與數字1模塊27的一個端口相連，精確授時、位置及姿態信息則通過雙絞屏蔽線與串口通訊模塊26剩余的通道相連。需要注意的是上述連接除分壓后的供電電池21外，其他信號均須通過數據采集與通訊組件3箱體面板上的LEMO連接器與CompactR1開發平臺中對應的模塊連接。至此，上述航空超導全張量磁梯度測控裝置被測信息已完成數字化，并利用GPS授時時間打上時間戳后存儲在CompactR1可重配置機箱及控制器28中的NI CR1 9025中；然后通過線纜從CompactR1可重配置機箱及控制器28中的NI CR1 9025依次連接網口轉光纖模塊29、光纖13和光纖轉網口模塊17,以抗干擾能力極強的光通訊方式,將被測信息傳輸至上位機15中；最后通過圖形化的LabVIEW開發平臺和關系型數據庫以人機對話的方式展現所有被測對象的信息，并存儲被測數據和經過信號處理后的數據，以實現數據存儲冗余提高可靠性。
[0030]本發明是基于GPS時間授時實現數據采集同步的，需要同步的數據包括SQUID讀出電路及磁通門輸出31、GPS組合慣導中帶時間戳的定位及定向信息40以及溫濕度及氣壓監測模塊4的輸出，其工作原理流程圖如圖3所示。首先由上位機15指定數據采集開始時間，在下發給CompactR1可重配置機箱及控制器28后，通過其數字1模塊27和串口通訊模塊26監測GPS組合慣導的輸出，等待該指定時間的秒脈沖信號PPS出現后觸發采集，需要注意的是GPS組合慣導數據自存儲功能要在此前啟動；然后3塊高精度ADC模塊32在共享板載內部主時鐘33 (由高精度ADC模塊A22提供)的情況下同步采集SQUID讀出電路及磁通門輸出31，并獲得原始采樣數據38，但由于Delta-Sigma類型ADC過采樣的工作原理，此采樣時鐘是獨立的，無法與GPS組合慣導中帶時間戳的定位及定向信息40同步，因此最終的采樣時鐘必須基于PPS信號通過數字鎖相環35倍頻來提供，如此即可經過信號重采樣39與通過GPS接收機34輸出的帶時間戳的定位及定向信息40融合后實現真正的同步，并可防止內部主時鐘在長時間獨立工作時所引入的測量誤差；最后在溫濕度及氣壓監測模塊
4的輸出同步上，鑒于它們是緩變量，采樣率又低，因此可借助于CompactR1可重配置機箱及控制器28背板的FPGA架構在同步處理的優勢，在接收到秒脈沖信號PPS后通過串口通訊模塊26直接讀取即可。
[0031]本發明通過信號重采樣實現同步的方法如下:首先由數字1模塊27讀取GPS接收機34輸出的秒脈沖PPS信號，然后利用數字鎖相環35生成用戶指定的PPS倍頻采樣時鐘36，接著再通過計數的方式計算NI 9239內部實際的采樣時鐘(由板載內部主時鐘33生成)和由數字鎖相環生成的PPS倍頻采樣時鐘36之間的延時獲得重采樣位置37，隨后即可對原始采樣數據38插值后利用已獲得的重采樣位置37實現信號重采樣39。此時，經過信號重采樣39獲得的被測數據已與上位機15指定的數據采集開始時間對齊，而且該數據采集開始時間也與GPS時間同步，因此通過檢索GPS組合慣導中存儲文件中帶時間戳的定位及定向信息40，即可實現同步。此外，在獲得同步的全張量磁梯度及與其對應的姿態信息后，通過經典的歐拉旋轉變換即可實現姿態投影。
[0032]數據采集與通訊組件3是航空超導全張量磁梯度測控裝置信號流中的核心所在，加上吊艙I空間限制的因素，其電磁兼容設計尤為重要，從而需要對它的箱體進行定制。為最大限度利用吊艙I的空間，數據采集與通訊組件3采用圓柱形箱體，其中箱體材料采用非磁性材料鋁合金。數據采集與通訊組件3的箱體及其硬件布局如圖4所示，需要注意的是，為展示內部硬件布局，其圓柱形的側壁被隱藏。可見，CompactR1可重配置機箱及控制器28、供電電池21 (共四塊)和網口轉光纖模塊29通過螺栓固定安裝在數據采集與通訊組件3箱體的襯板上，而箱體內外的信號通過LEMO連接器42互連，其中前面提及的6塊NI公司C系列模塊41則依次插在CompactR1可重配置機箱及控制器28的CR1 9118中。此夕卜，為降低箱體金屬表面的渦流，在其表面采用滾花等工藝做局部分割后，再利用超級絕緣材料以帶狀搭接方式進行包裹，如此既滿足了射頻屏蔽的需求，又降低渦流對全張量磁梯度組件9的影響。出于電磁兼容設計考慮，溫濕度及氣壓監測模塊4的箱體采用與數據采集與通訊組件3 —樣的結構和表面處理。
[0033]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于GPS同步的航空超導全張量磁梯度測控裝置，其特征在于所述的航空超導全張量磁梯度測控裝置位于懸吊與吊艙子系統中的吊艙內；航空超導全張量磁梯度測控裝置由SQUID讀出電路、數據采集與通訊組件、飛行位置與姿態信息記錄組件、工作環境監測組件以及人機界面組件組成，并以數據采集與通訊組件為核心采用星型拓撲結構連接其它四個組件。
2.按權利要求1所述的裝置，其特征在于: ①SQUID讀出電路用于實現磁梯度及參考磁場到電量的轉換； ②數據采集與通訊組件則用于完成全張量及其它輔助信號的同步采集、存儲和通訊； ③飛行位置與姿態信息記錄組件則用于記錄超導全張量磁梯度組件的位置和姿態信息； ④工作環境監測組件則用于提供全張量磁梯度測量系統的氣壓、溫濕度、液氦液位以及供電電池狀態等輔助信息； ⑤人機界面組件則用于以人機對話的方式展現所有被測對象的信息； 所述的SQUID讀出電路采用磁通鎖定環FLL用于實現磁梯度及參考磁場到電量的轉換； 所述的數據采集與通訊組件中增加了智能調控功能，加載標準的Test信號后，在采集SQUID FLL未鎖定前Tune信號的基礎上，首先通過RS485數字通訊控制接口大尺度地調節其offset工作參數，并觀測其輸出的極性變化，從極性變化相反的方向利用二分法調節Tune信號的偏置值趨于零伏附近；然后采用遍歷方法在Tune信號不溢出的基礎上依次調整bias和offset工作參數，記錄其峰峰值的輸出并查詢最大值；最后調節offset工作參數使該值對應Tune信號的偏置值趨于零，并以此時的bias和offset值為對應SQUID的最佳工作參數，鎖定FLL ;按照所述的方法則可依次按地址完成航空超導全張量磁梯度測控裝置中9個通道SQUID工作參數的調整； 所述的飛行位置與姿態信息記錄組件采用帶存儲功能的GPS組合慣導，基于GPS時間授時功能通過數字鎖相環生成的PPS倍頻采樣時鐘對指定時間的特定信號重采樣后，利用時間戳實現與GPS組合慣導給出的位置和姿態信息同步，從而通過姿態投影為反演奠定基礎；所述裝置，在同步采集SQUID Tune信號的基礎上，結合二分和遍歷算法通過串口指令快速實現SQUID讀出電路的自動最優工作參數調整和鎖定。
3.按權利要求2所述的裝置，其特征在于: ①通過數字鎖相環生成的PPS倍頻采樣時鐘對指定時間開始采集的全張量磁梯度等特定信號進行重采樣后，然后利用時間戳實現與GPS組合慣導自存儲的位置和姿態信息同步，最后再通過經典的歐拉旋轉變換實現姿態投影，有效消除在運動時切割地磁場所引入的干擾； ②在完成SQUIDTune信號同步采集的基礎上，結合二分和遍歷算法通過串口指令快速實現SQUID讀出電路的自動最優工作參數調整和鎖定，同時可在工作過程中提供失鎖后自動鎖定的功能； ③通過在航空超導全張量磁梯度測控裝置所包含的箱體表面進行局部分割處理以及使用超級絕緣進行多層帶狀搭接包裹，從而實現測控裝置的EMC優化設計。
4.按權利要求1或2所述的裝置，其特征在于: ①所述的數據采集與通訊組件采用嵌入式系統，采用Nat1nalInstrument公司的圖形化CompactR1平臺開發；為實現超導全張量磁梯度9個通道信號和磁通門3個分量通道信號的高精度采集，選用3塊分辨率為24位的Delta-Sigma類型ADC模塊NI 9239，其中每個模塊具有4個同步采集通道；為實現GPS組合慣導和全張量磁梯度的同步，選用1塊高速數字10模塊NI9402接收秒脈沖PPS信號，同時選用1塊串口通訊模塊NI 9871通過RS422接口接收授時時間、位置及姿態數據，其中NI 9871具有4個串口通訊通道，其余的3個通道用于實現工作環境監測組件中采用數字通訊接口的被測量監測； ②由數字鎖相環提供基于PPS信號的采樣時鐘；采樣值在某指定采樣時間的秒脈沖信號PPS觸發，并與基于PPS信號通過數字鎖相環生成的采樣時間同步。
5.按權利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述吊艙的支架采用層架式結構，其第一層用于安裝杜瓦，并在杜瓦中配備了全張量磁梯度組件、液氦液位計以及用于傳輸信號低溫導線，而系統的核心測量傳感器SQUID平面梯度計被安裝在六棱錐的六個斜面上，用于補償的3個磁強計則被安裝在六棱錐內部一個正方體的三個正交平面上；第二層用于安裝采用模塊設計的SQUID讀出電路，并通過低溫導線與全張量磁梯度組件相連；第三層用于安裝溫濕度及氣壓監測模塊、磁通門和GPS接收機和慣性測量單元IMU，它們均通過導線直接與數據采集與通訊組件相連，其中溫濕度及氣壓監測模塊采用圓柱體的機箱結構；第四層用于安裝同樣采用圓柱體機箱結構的數據采集與通訊組件，并通過光纖連接器A、光纖和光纖連接器B與位于飛行平臺上人機界面組件連接；GPS天線安裝在吊艙的頂部，并通過同軸線與GPS接收機及慣性測量單元MU11相連；同時在航空超導全張量磁梯度測控裝置中增加了 GPS基站用于差分處理，以在反演時提供全張量磁梯度組件的精確位置信息。
6.按權利要求1或2所述的裝置，其特征在于所述的航空超導全張量磁梯度測控裝置的硬件配置是以CompactR1可重配置機箱及控制器(28)，型號為NI CR10 9118或NI CR109025，以及安放在CompactR1可重配置機箱NI CR10 91188個槽位中的型號為NI 9239高精度ADC模塊八(22)，型號為[9239高精度ADC模塊B(23)，型號為NI 9239高精度ADC模塊C(24)，SAR型ADC模塊(25)，型號為NI 9221，串口通訊模塊(26)，型號為NI 9871，數字10模塊(27)，型號為NI 9402，組成的圖形化測控平臺為核心。磁通門(5)輸出的信號通過雙絞屏蔽線與高精度ADC模塊A22的3個通道依次相連；SQUID讀出電路(6)輸出的9個通道模擬信號經LEM0連接器通過定制的多股雙絞屏蔽線分別與高精度ADC模塊A (22)、高精度ADC模塊B (23)、高精度ADC模塊C (24)相連，而RS485數字通訊控制接口則通過雙絞屏蔽線與串口通訊模塊(26)相連；隨后即可在CompactR1可重配置機箱及控制器(28)中根據智能調控算法利用高精度ADC模塊采集的數據和串口通訊模塊(26)實現SQUID讀出電路(6)的智能調控，并在工作過程中實時監測9個通道的模擬輸出是否溢出，重新啟動智能調控功能將失鎖的SQUID讀出電路鎖定；航空超導全張量磁梯度測控裝置的供電電池(21)經分壓后通過雙絞線與SAR型ADC模塊(25)的接線端相連；工作環境監測組件中數字接口部分(30)包括溫濕度及氣壓監測模塊(4)和液氦液位計(19)，它們采用級聯的方式同樣通過雙絞屏蔽線與串口通訊模塊(26)相連；GPS接收機及慣性測量單元MU11的輸出包含高速10 口輸出的秒脈沖PPS和串口輸出的授時、位置及姿態信息，其中秒脈沖PPS通過同軸線纜與數字10模塊(27)的一個端口相連，精確授時、位置及姿態信息則通過雙絞屏蔽線與串口通訊模塊(26)剩余的通道相連。
7.使用權利要求1或2所述裝置的同步方法，其特征在于通過信號重采樣實現同步的步驟是: ①首先由數字10模塊讀取GPS接收機輸出的秒脈沖PPS信號； ②然后利用數字鎖相環生成用戶指定的PPS倍頻采樣時鐘，接著再通過計數的方式計算NI 9239內部實際的采樣時鐘和由數字鎖相環生成的PPS倍頻采樣時鐘之間的延時獲得重采樣位置； ③隨后即可對原始采樣數據插值后利用已獲得的重采樣位置實現信號重采樣；此時，經過信號重采樣獲得的被測數據已與上位機指定的數據采集開始時間對齊，而且該數據采集開始時間也與GPS時間同步； ④因此通過檢索GPS組合慣導中存儲文件中帶時間戳的定位及定向信息，即可實現同[K少; ⑤此外，在獲得同步的全張量磁梯度及與其對應的姿態信息后，通過經典的歐拉旋轉變換即可實現姿態投影； 所述的采樣時鐘由板載內部主時鐘生成。
8.按權利要求7所述的方法，其特征在于需要同步的數據包括SQUID讀出電路及磁通門輸出、GPS組合慣導中帶時間戳的定位及定向信息以及溫濕度計氣壓監測模塊的輸出。
【文檔編號】G01S19/47GK104407310SQ201410742613
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年12月8日 優先權日:2014年12月8日
【發明者】伍俊, 榮亮亮, 邱隆清, 蔣坤, 孔祥燕, 謝曉明 申請人:中國科學院上海微系統與信息技術研究所