同步精度平行標(biāo)定方法使用的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及一種同步精度平行標(biāo)定方法使用的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置，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)際研宄前沿。
[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)研宄所承擔(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)的研宄，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。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008]本實(shí)用新型的目的在于提供一種同步精度平行標(biāo)定方法使用的超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)控裝置，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，本實(shí)用新型針對(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]本實(shí)用新型解決其技術(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=SQUIDaa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]基于本實(shí)用新型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。考慮到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1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