同步精度平行标定方法使用的超导全张量磁梯度测控装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种同步精度平行标定方法使用的超导全张量磁梯度测控装置，属于超导应用领域。
【背景技术】
[0002]超导全张量磁梯度测量系统通常是在运动平台上搭载磁测设备，利用运动过程中获取的由磁性矿产资源引起的地磁异常信息，实现对地下磁性地质性和矿体高效率、高精度的三维定位，并获取它们的空间分布信息。它具有效率高，探测深度深等特点，而且相对于传统的总场和分量场磁测量，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宄前沿。
[0003]组成超导全张量磁梯度计的核心器件是超导量子干涉仪(SQUID:Superconducting QUantum Interference Device)。SQUID 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，而且利用SQUID测量磁梯度时传感器间距小(厘米级)，是目前实现高灵敏全张量磁梯度测量的唯一选择。
[0004]由于超导全张量磁梯度测量系统的测量平台通常是运动的，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，其中与超导磁传感器适配的Delta-Sigma类型ADC是基于过采样的原理，由于其采样时钟与GPS工作时钟是独立的，故无法保障磁测量数据与GPS组合惯导数据的同步性。
[0005]可见超导全张量磁梯度测控装置的同步性必须标定，必要时还须以重采样的方式进行校正，而通常影响超导全张量磁梯度测量系统同步精度的因素主要包括:SQUID读出电路的信号响应延迟、Delta-Sigma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1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忽略。
[0006]研制超导全张量磁梯度测量系统对国家矿产资源保障体系的建设和国民经济发展均具有十分重要的意义，但目前我国在该领域，除中国科学院上海微系统与信息技术研宄所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”重大仪器专项项目外，尚未开展任何相关的研宄，而国外虽有鲜有类似的装置，但未见相关技术的详细报道，更无法获知超导全张量磁梯度测控装置同步精度标定的具体详情，从而其同步精度标定方法无从参考。
[0007]综上所述，在国内外尚未见有关超导全张量磁梯度测控装置和GPS组合惯导数据和磁测量数据同步精度上的高效标定方法的公开报道，而为保障超导全张量磁梯度测量系统真正能成为有效性，提出一种切实可行的高效标定方法至关重要。
【实用新型内容】
[0008]本实用新型的目的在于提供一种同步精度平行标定方法使用的超导全张量磁梯度测控装置，以解决超导全张量磁梯度测控装置同步精度的标定问题，本实用新型针对可忽略GPS组合惯导秒脉冲信号PPS与位置姿态信号同步误差的情况，从而提供一种可并行测量的高效超导全张量磁梯度测控装置同步精度标定方法。所述的方法不仅能提供十微秒级的同步测量精度，而且还能并行测量超导全张量磁梯度测控装置所有被测通道的同步精度。所述的平行标定是指超导全张量磁梯度测控装置同步精度标定，可以是一个一个通道标定，也可以是一次性全部标定。
[0009]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:超导全张量磁梯度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、运动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，其中运动位置与姿态信息记录组件多采用GPS组合惯导(比如加拿大NovAtel公司的SPAN-LCI)实现。为解决数据采集与通讯组件中Delta-Sigma类型ADC的采样时钟与GPS时钟不相关的问题，首先采用数字锁相环对GPS组合惯导秒脉冲信号PPS倍频产生重采样的时钟，然后利用计数器获得ADC采样时钟与重采样时钟的相位关系从而完成对原始信号的重采样；随后在接收到PPS信号时由串口读取此时GPS的精确授时时间，最后再与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同步。可见，影响超导全张量磁梯度测控装置同步精度的因素包括=SQUIDaa电路的信号响应延迟、Delta-Sigma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1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，而常见应用领域中的超导全张量磁梯度测量系统要求的同步精度在十微秒量级，因此对最后两个时间延迟在一微秒以下的因素在一般情况下可以不考虑，即磁测量数据只需与GPS的秒脉冲信号PPS同步即可满足与运动位置及姿态数据的同步要求。
[0010]鉴于磁测量数据只需与GPS组合惯导的秒脉冲信号PPS同步即可满足一般情况下超导全张量磁梯度测量系统的姿态投影要求，因此所述方法首先利用PPS信号产生一个与其上升沿同步的零相位正弦波信号；然后通过驱动电路分别输入到超导全张量磁梯度测控装置中所有SQUID读出电路的Test接口，并在SQUID正常工作后于指定的整秒时间触发采集上述所有超导磁测量通道的信息；随后测量该采样数据所有磁测量通道信号在整秒时间后的相位，也可将所有磁测量通道的采集信号分成N个整秒数据，在抛弃第一个整秒数据后测量它们的相位并求算术平均值；最后将这些相位转换为正数并换算成与之对应的时间即可获得超导全张量磁梯度测控装置的同步精度，从而完成相关的标定工作。
[0011]基于本实用新型所述方法的工作原理，采用所述方法构建的装置通常包括高速示波器、函数发生器、定制的测试信号驱动电路以及被测系统的测控装置，而构成标定装置的这些组件均是独立的，并无固定的结构连接方式，在工作时只需通过线缆连接对应的信号接口即可。
[0012]为产生一个与GPS组合导航的PPS信号上升沿同步的零相位正弦波信号，首先将可与接收PPS信号数字1并行工作的双向数字1 口连接至函数发生器的外触发接口 ；然后在接收PPS信号数字1检测到通过时间触发Delta-Sigma类型ADC采集的PPS信号上升沿时，同时置位与函数发生器的外触发接口相连的数字1 口(需要在原测控装置的程序上编程增加该功能)，使函数发生器输出与其同步的零相位正弦波信号。为监测PPS信号与输出正弦波信号的同步性，将PPS信号与该正弦波信号的同步输出分别连至高速示波器的两个通道，测量它们的延迟时间即可。此外，如果有必要，可通过函数发生器的触发延时功能补偿该延迟时间。
[0013]鉴于全张量磁梯度有5个独立分量，为补偿梯度计的不平衡度并保证梯度信息冗余，超导全张量磁梯度测控装置通常会包括9个超导磁传感器，即需要9个SQUID读出电路。考虑到SQUID读出电路的Test功能是通过外部信号驱动SQUID旁边的Feedback线圈来实现的，为保证函数发生器输出并用于测试的正弦波信号的驱动能力以及SQUID读出电路之间的电磁兼容，利用与SQUID读出电路数目对等的电压跟随器分别驱动它们用于Test的Feedback线圈，其中电压跟随器为定制的测试信号驱动电路，是基于高速运算放大器设计的，而且采用星形拓扑结构以保证各通道的延时相同。
[0014]完成上述工作后，首先将超导全张量磁梯度测量系统放置在磁屏蔽室中，并调整函数发生器使其处于等待外触发状态；然后调节SQUID读出电路的工作参数使它们正常工作后，以整秒为单位指定时间触发数据采集与通讯组件中Delta-Sigma类型ADC，同时通过数字1触发函数发生器产生与PPS信号上升沿同步的零相位正弦波信号；随后记录所有超导磁测量通道的重采样数据，并测量该采样数据所有磁测量通道信号在整秒时间后的相位或者将该采样信号分成N个整秒数据，在抛弃第一个整秒数据后测量它们的