一種航空超導磁測量系統同步精度的標定方法及裝置的制造方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種航空超導磁測量系統同步精度的標定方法及裝置，尤其是一種航空超導磁測量系統的GPS組合慣導數據與磁測量數據在同步精度上的標定方法及裝置，屬于超導應用領域。
【背景技術】
[0002]航空磁測量技術是通過從航空搭載磁測量設備測量磁性礦產資源引起的地磁場微弱變化，并借助于信息處理技術實現對地下礦體的空間分布成像，來了解和評價探測區域的磁性礦產資源及其分布概況，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的重要手段之一。
[0003]由超導量子干涉儀(SQUID Superconducting QUantum Interference Device)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，而由SQUID作為核心器件組成的航空超導磁測量系統，尤其是國內近年才發展的航空超導全張量磁梯度測量系統，相對于傳統的總場和分量場航磁測量，具有明顯的優勢和跨時代的意義，是目前航空磁物探技術的重要發展方向和國際研宄前沿。
[0004]由于航空平臺是運動的，因此需要在實現其測量系統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SQUID切割地球磁場所引入的干擾。通常，良好的姿態投影不但需要用到高精度的GPS組合慣導，而且更需要磁測量數據與GPS組合慣導數據的高精度同步來保障。
[0005]鑒于與超導磁傳感器適配的Delta-Sigma類型ADC是基于過采樣的原理，其內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據與GPS組合慣導數據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(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。因此航空超導磁測量系統的同步性需要標定，必要時還須以重采樣的方式進行校正。
[0006]研制航空超導磁測量裝置對國家礦產資源保障體系的建設和國民(中國科學院上海微系統與信息技術研宄所)經濟發展均具有十分重要的意義，但目前我國在航空超導磁測量系統研制方面，除本單位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”重大儀器專項等項目外，尚未開展任何相關的研宄，國外也鮮有報道，本發明人尚未見相關技術的報道，從而與之配套的輔助裝置幾乎需要從零開始構建。
[0007]綜上所述，在我國尚未見有關航空超導磁測量系統同步精度標定方法及裝置的公開報道，而其成功研制對具有戰略意義的航空超導磁測量系統至關重要。從而引導出本申請的構思。
【發明內容】
[0008]為了解決航空超導磁測量系統同步精度的標定問題，本發明提供一種基于加速度計相位測量的航空超導磁測量系統同步精度的標定方法及裝置。所述方法在分析給出所有影響同步環節的基礎上不僅能提供真正意義上的百納秒級同步測量精度，而且還能在系統測控裝置的基礎上快速搭建所述裝置。
[0009]本發明解決其技術問題所采用的技術方案是:航空超導磁測量系統的測控裝置主要由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。通常由GPS組合慣導提供的飛行位置姿態數據與磁測量數據的同步是利用秒脈沖信號PPS數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組合慣導中存儲的帶有時間戳的位置和姿態信息融合后來實現的。可見，影響航空超導磁測量系統同步精度的因素包括:SQUID讀出電路的信號響應延遲、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信號的數字1信號延遲以及GPS組合慣導中PPS信號與位置姿態信號的同步誤差，其中最后兩個因素在一般情況下可以不考慮，但為全面考量系統的同步精度，同時鑒于GPS組合慣導的技術指標未提供PPS信號與位置姿態信號的同步誤差，所以本發明需針對航空超導磁測量系統的特殊性提供了相應的標定方法。
[0010]鑒于航空超導磁測量系統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數據與磁測量數據，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，更無法預知信號傳輸路徑上的各種延時，因此本發明提供的同步精度的標定方法結合GPS組合慣導能直接測量加速度和角速度這一特點，在待評估的系統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據可獲取到相位延遲信息，再經換算即可獲得與之對應的時間信息；最后再將標定后的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運算即可獲得所測系統的同步精度，從而完成相關的標定工作。也就是說，在航空超導磁測量系統原測控裝置中替換影響同步精度直接標定的組件，引入可與GPS組合慣導測量同一標定源的傳感器組件及其配套設備，然后以相位或時間延遲測量的方式在分別標定所有影響系統同步精度的因素后，再利用代數運算間接計算出系統的同步精度，從而完成高精度的標定。從而提供真正意義上的百納秒級同步測量精度。
[0011]綜合上述影響標定航空超導磁測量系統同步精度的因素，由所述的標定方法構建的裝置通常包括高速示波器、函數發生器、模擬輸出的加速度計、SAR型高速ADC、標準的振動測試臺以及被測系統的測控裝置，其中SAR型高速ADC應能兼容被測系統的測控裝置，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準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信號的數字1是采用同步精度極高的FPGA架構設計，首先設置與其并行工作的另外兩個數字1 口為輸出端口 ；然后以編程的方式使其中一個數字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，但由于存在模數轉換時間和前端信號調理，其信號采集過程的延遲有幾個HS。為獲得該延遲的準確值，首先讓工作于同一 FPGA芯片下的高速數字1接收函數發生器產生的采樣時鐘(TTL的方波)，同時讓函數發生器的另一通道生成標準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)的采樣數據；隨后測量該采集數據的相位，即可經換算獲得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延遲時間，對于本發明選擇的MEMS加速度計(ADXL203)和市面常見的加速度傳感器一樣，其響應時間并未在技術指標中給出，而采用本發明所述方法實現同步精度測量，必須知道此響應延遲時間。測量加速度傳感器響應延遲時間的方法有以下兩種:方法一是通過測量標準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加速度計最小系統固定于標準的振動測試臺上，而標準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軸方向的模擬輸出連接至在原系統測控裝置中擴展的SAR型高速ADC，而精密滑動變阻器在串連精密的恒流源后用雙絞線將滑動端和一個固定端也連接至SAR型高速ADC ;隨后在上述組件穩定工作后使用內部時鐘采集標準振動測試臺在Z軸方向產生的低頻正弦振動信號；最后將采集的加速度數據和滑動變阻器的電阻變化數據進行相位差測量，經換算成時間信息后即得加速度計的響應延遲時間。方法二是利用MEMS加速度計的Self-Test功能以靜電力代替機械力驅動敏感元件直接測量，首先將穩定工作的MEMS加速度計最小系統的Self-Test端口通過同軸線連接至函數發生器和高速示波器，同時將其輸出端口也連接至高速示波器；然后在函數發生器輸出TTL電平的方波信號后，利用高速示波器測量上述輸入輸出信號的時間延遲，即得加速度計的響應延遲時間。其中方法一相對方法二直觀，而方法二相對方法一簡單，容易操作。
[0015]為標定GPS組合慣導中PPS信號與位置姿態信號的同步誤差，首先將定制的MEMS加速度計最小系統和GPS組合慣導固定于標準的振動測試臺上；然后將加速度計在Z軸方向的模擬輸出連接至在原系統測控裝置中擴展的SAR型ADC，而GPS組合慣導則保持原樣連接對應的數字1模塊和串口通訊模塊；隨后使用數字鎖相環將PPS信號倍頻至GPS