一种航空超导磁测量系统同步精度的标定装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术公开了一种航空超导磁测量系统同步精度的标定装置，包括高速示波器、函数发生器、模拟输出的加速度计、SAR型高速ADC、标准的振动测试台以及被测系统的测控装置，其中SAR型高速ADC与被测系统的测控装置兼容，并具有同步采集功能；所述的模拟输出的加速度计和标准的振动测试台通过螺栓刚性连接，SAR型高速ADC则作为扩展模块在需要时插在测控装置的空余槽位中，其他均通过线缆连接；所述的测控装置是由SQUID读出电路、数据采集与通讯组件、飞行位置与姿态信息记录组件、工作环境监测组件以及人机界面组件组成。所述装置，实现简单，成本低廉，对成功研制航空超导磁测量系统至关重要。

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种航空超导磁测量系统同步精度的标定方法及装置，尤其是一种航空超导磁测量系统的GPS组合惯导数据与磁测量数据在同步精度上的标定方法及装置，属于超导应用领域。
技术介绍
航空磁测量技术是通过从航空搭载磁测量设备测量磁性矿产资源引起的地磁场微弱变化，并借助于信息处理技术实现对地下矿体的空间分布成像，来了解和评价探测区域的磁性矿产资源及其分布概况，具有探测效率高，单位面积运行成本低等特点，是进行资源普查和筛选找矿靶区的重要手段之一。由超导量子干涉仪(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)组成的超导磁传感器是目前已知灵敏度最高的磁传感器，能够测量非常微弱的磁信号，而由SQUID作为核心器件组成的航空超导磁测量系统，尤其是国内近年才发展的航空超导全张量磁梯度测量系统，相对于传统的总场和分量场航磁测量，具有明显的优势和跨时代的意义，是目前航空磁物探技术的重要发展方向和国际研究前沿。由于航空平台是运动的，因此需要在实现其测量系统原始输出信号同步采集的同时，还须通过高精度的姿态投影进行磁补偿以消除SQUID切割地球磁场所引入的干扰。通常，良好的姿态投影不但需要用到高精度的GPS组合惯导，而且更需要磁测量数据与GPS组合惯导数据的高精度同步来保障。鉴于与超导磁传感器适配的Delta-Sigma类型ADC是基于过采样的原理，其内部主时钟频率高达十几MHz，需要由板载时钟提供，而无法通过GPS信号获得，因此在独立时钟的工作模式下获取的磁测量数据与GPS组合惯导数据的同步性是不能保障的，即使在使用秒脉冲信号PPS(Pulses Per Second)数字锁相再重采样后也还存在不可忽略的因素。此外，SQUID读出电路工作在磁通锁定环(FLL：Flux-Locked Loop)模式下时，会因为积分电容的存在而存在信号延时，而且还随积分电容的选择而变化。因此航空超导磁测量系统的同步性需要标定，必要时还须以重采样的方式进行校正。研制航空超导磁测量装置对国家矿产资源保障体系的建设和国民(中国科学院上海微系统与信息技术研究所)经济发展均具有十分重要的意义，但目前我国在航空超导磁测量系统研制方面，除本单位承担的由中央财政部主持的“航空超导全张量磁梯度测量装置”重大仪器专项等项目外，尚未开展任何相关的研究，国外也鲜有报道，本专利技术人尚未见相关技术的报道，从而与之配套的辅助装置几乎需要从零开始构建。综上所述，在我国尚未见有关航空超导磁测量系统同步精度标定方法及装置的公开报道，而其成功研制对具有战略意义的航空超导磁测量系统至关重要。从而引导出本申请的构思。
技术实现思路
为了解决航空超导磁测量系统同步精度的标定问题，本技术提供一种基于加速度计相位测量的航空超导磁测量系统同步精度的标定方法及装置。所述方法在分析给出所有影响同步环节的基础上不仅能提供真正意义上的百纳秒级同步测量精度，而且还能在系统测控装置的基础上快速搭建所述装置。本技术解决其技术问题所采用的技术方案是：航空超导磁测量系统的测控装置主要由SQUID读出电路、数据采集与通讯组件、飞行位置与姿态信息记录组件、工作环境监测组件以及人机界面组件组成。通常由GPS组合惯导提供的飞行位置姿态数据与磁测量数据的同步是利用秒脉冲信号PPS数字锁相后的倍频时钟对原始信号进行重采样，并在接收到PPS信号时由串口通讯接口读取此时GPS的精确授时时间，然后再与GPS组合惯导中存储的带有时间戳的位置和姿态信息融合后来实现的。可见，影响航空超导磁测量系统同步精度的因素包括：SQUID读出电路的信号响应延迟、Delta-Sigma类型或SAR类型ADC的过采样延迟、重采样后的时间延迟、接收PPS信号的数字IO信号延迟以及GPS组合惯导中PPS信号与位置姿态信号的同步误差，其中最后两个因素在一般情况下可以不考虑，但为全面考量系统的同步精度，同时鉴于GPS组合惯导的技术指标未提供PPS信号与位置姿态信号的同步误差，所以本实用新型需针对航空超导磁测量系统的特殊性提供了相应的标定方法。鉴于航空超导磁测量系统中真正需要同步的从最终使用的角度来看是飞行位置姿态数据与磁测量数据，而通常获取这两种信息测量组件的工作时钟是独立的，无法直接同步，更无法预知信号传输路径上的各种延时，因此本技术提供的同步精度的标定方法结合GPS组合惯导能直接测量加速度和角速度这一特点，在待评估的系统测控装置中引入一模拟输出的加速度传感器及其配套组件；然后通过对比它们在同时测量同一正弦振动源所得的加速度数据可获取到相位延迟信息，再经换算即可获得与之对应的时间信息；最后再将标定后的SQUID读出电路和引入加速度传感器的延时与上述时间信息做代数运算即可获得所测系统的同步精度，从而完成相关的标定工作。也就是说，在航空超导磁测量系统原测控装置中替换影响同步精度直接标定的组件，引入可与GPS组合惯导测量同一标定源的传感器组件及其配套设备，然后以相位或时间延迟测量的方式在分别标定所有影响系统同步精度的因素后，再利用代数运算间接计算出系统的同步精度，从而完成高精度的标定。从而提供真正意义上的百纳秒级同步测量精度。综合上述影响标定航空超导磁测量系统同步精度的因素，由所述的标定方法构建的装置通常包括高速示波器、函数发生器、模拟输出的加速度计、SAR型高速ADC、标准的振动测试台以及被测系统的测控装置，其中SAR型高速ADC应能兼容被测系统的测控装置，并具有同步采集功能。此外，所述装置中模拟输出的加速度计和标准的振动测试台需要通过螺栓刚性连接，而SAR型高速ADC则作为扩展模块在需要时插在测控装置的空余槽位中，其他均通过线缆连接。鉴于接收PPS信号的数字IO是采用同步精度极高的FPGA架构设计，首先设置与其并行工作的另外两个数字IO口为输出端口；然后以编程的方式使其中一个数字IO接口生成定周期的方波信号，而另一个则用于在接收PPS信号的数字IO口检测到输入的该方波信号后，输出与其同极性同周期的方波信号；最后通过高速示波器测量这两个方波的时间延迟，即可获得两倍于接收PPS信号数字IO的延迟。SAR型高速ADC用于采集加速度计的模拟输出，虽然它可按照输入的外时钟信号进行采样，但由于存在模数转换时间和前端信号调理，其信号采集过程的延迟有几个us。为获得该延迟的准确值，首先让工作于同一FPGA芯片<本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种航空超导磁测量系统同步精度的标定装置，其特征在于包括高速示波器、函数发生器、模拟输出的加速度计、SAR型高速ADC、标准的振动测试台以及被测系统的测控装置，其中SAR型高速ADC与被测系统的测控装置兼容，并具有同步采集功能；所述的模拟输出的加速度计和标准的振动测试台通过螺栓刚性连接，SAR型高速ADC则作为扩展模块在需要时插在测控装置的空余槽位中，其他均通过线缆连接；所述的测控装置是由SQUID读出电路、数据采集与通讯组件、飞行位置与姿态信息记录组件、工作环境监测组件以及人机界面组件组成；GPS组合惯导提供的飞行位置姿态数据与磁测量数据的同步是利用秒脉冲信号PPS数字锁相后的倍频时钟对原始信号进行重采样，并在接收到PPS信号时由串口通讯接口读取此时GPS的精确授时时间，然后再与GPS组合惯导中存储的带有时间戳的位置和姿态信息融合后来实现的。

【技术特征摘要】
1.一种航空超导磁测量系统同步精度的标定装置，其特征在于包括高速
示波器、函数发生器、模拟输出的加速度计、SAR型高速ADC、标准的振动
测试台以及被测系统的测控装置，其中SAR型高速ADC与被测系统的测控
装置兼容，并具有同步采集功能；所述的模拟输出的加速度计和标准的振动
测试台通过螺栓刚性连接，SAR型高速ADC则作为扩展模块在需要时插在测
控装置的空余槽位中，其他均通过线缆连接；所述的测控装置是由SQUID读
出电路、数据采集与通讯组件、飞行位置与姿态信息记录组件、工作环境监
测组件以及人机界面组件组成；GPS组合惯导提供的飞行位置姿态数据与磁
测量数据的同步是利用秒脉冲信号PPS数字锁相后的倍频时钟对原始信号进
行重采样，并在接收到PPS信号时由串口通讯接口读取此时GPS的精确授时
时间，然后再与GPS组合惯导中存储的带有时间戳的位置和姿态信息融合后
来实现的。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于：
①所述的测控装置主要由CompactRIO控制器NI CRIO 9025(1)、
CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 9118(2)、Delta-Sigma型ADC NI 9239A
(3)、Delta-Sigma型ADC NI 9239B(4)、串口通讯模块NI 9871(5)、数
字IO模块NI 9402(6)、GPS组合惯导SPAN LCI(7)、工作环境监测组件(8)
以及SQUID读出电路(9)组成，其中Delta-Sigma型ADC NI 9239A(3)、
Delta-Sigma型ADC NI 9239B(4)、串口通讯模块NI 9871(5)以及数字IO
模块NI 9402(6)插入CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 9118(2)对应的
槽位中，并与CompactRIO控制器NI CRIO 9025(1)一起构成完整的
CompactRIO开发平台；GPS组合惯导SPAN LCI(7)获取超导磁测量组件的
飞行位置与姿态信息，输出的秒脉冲信号PPS通过同轴线与数字IO模块NI
9402(6)的一个端口连接，...

【专利技术属性】
技术研发人员：伍俊，荣亮亮，孔祥燕，谢晓明，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：新型
国别省市：上海;31