專利名稱:一種航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度的標定裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度的標定裝置，包括高速示波器、函數(shù)發(fā)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(tǒng)的測控裝置，其中SAR型高速ADC與被測系統(tǒng)的測控裝置兼容，并具有同步采集功能；所述的模擬輸出的加速度計和標準的振動測試臺通過螺栓剛性連接，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；所述的測控裝置是由SQUID讀出電路、數(shù)據(jù)采集與通訊組件、飛行位置與姿態(tài)信息記錄組件、工作環(huán)境監(jiān)測組件以及人機界面組件組成。所述裝置，實現(xiàn)簡單，成本低廉，對成功研制航空超導磁測量系統(tǒng)至關重要。
【專利說明】一種航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度的標定裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種航空超導磁測量系統(tǒng)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(tǒng)的GPS組合慣導數(shù)據(jù)與磁測量數(shù)據(jù)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(chǎn)資源引起的地磁場微弱變化，并借助于信息處理技術實現(xiàn)對地下礦體的空間分布成像，來了解和評價探測區(qū)域的磁性礦產(chǎn)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(qū)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(tǒng)，尤其是國內(nèi)近年才發(fā)展的航空超導全張量磁梯度測量系統(tǒng)，相對于傳統(tǒng)的總場和分量場航磁測量，具有明顯的優(yōu)勢和跨時代的意義，是目前航空磁物探技術的重要發(fā)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(xiàn)其測量系統(tǒng)原始輸出信號同步采集的同時，還須通過高精度的姿態(tài)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(tài)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(shù)據(jù)與GPS組合慣導數(shù)據(jù)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(nèi)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(shù)據(jù)與GPS組合慣導數(shù)據(jù)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(shù)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(huán)(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(tǒng)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(chǎn)資源保障體系的建設和國民(中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研宄所)經(jīng)濟發(fā)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(tǒng)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(fā)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(tǒng)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(zhàn)略意義的航空超導磁測量系統(tǒng)至關重要。從而引導出本申請的構思。
實用新型內(nèi)容
[0008]為了解決航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度的標定問題，本實用新型提供一種基于加速度計相位測量的航空超導磁測量系統(tǒng)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(huán)節(jié)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(tǒng)測控裝置的基礎上快速搭建所述裝置。
[0009]本實用新型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(tǒng)的測控裝置主要由SQUID讀出電路、數(shù)據(jù)采集與通訊組件、飛行位置與姿態(tài)信息記錄組件、工作環(huán)境監(jiān)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(tài)數(shù)據(jù)與磁測量數(shù)據(jù)的同步是利用秒脈沖信號PPS數(shù)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(tài)信息融合后來實現(xiàn)的。可見，影響航空超導磁測量系統(tǒng)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(shù)字1信號延遲以及GPS組合慣導中PPS信號與位置姿態(tài)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(tǒng)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(tài)信號的同步誤差，所以本實用新型需針對航空超導磁測量系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)數(shù)據(jù)與磁測量數(shù)據(jù)，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，因此本實用新型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(tǒng)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(shù)據(jù)可獲取到相位延遲信息，再經(jīng)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(shù)運算即可獲得所測系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)同步精度的因素后，再利用代數(shù)運算間接計算出系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)發(fā)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(tǒng)的測控裝置，其中SAR型高速ADC應能兼容被測系統(tǒng)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(shù)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(shù)字1 口為輸出端口 ；然后以編程的方式使其中一個數(shù)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(shù)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(shù)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(shù)轉換時間和前端信號調理，其信號采集過程的延遲有幾個us。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(shù)字1接收函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的采樣時鐘(TTL的方波)，同時讓函數(shù)發(fā)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(shù)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(shù)據(jù)；隨后測量該采集數(shù)據(jù)的相位，即可經(jīng)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，對于本實用新型選擇的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，而采用本實用新型所述方法實現(xiàn)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(tǒng)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(xiàn)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(tǒng)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(wěn)定工作后使用內(nèi)部時鐘采集標準振動測試臺在Z軸方向產(chǎn)生的低頻正弦振動信號；最后將采集的加速度數(shù)據(jù)和滑動變阻器的電阻變化數(shù)據(jù)進行相位差測量，經(jīng)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(wěn)定工作的MEMS加速度計最小系統(tǒng)的Self-Test端口通過同軸線連接至函數(shù)發(fā)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(shù)發(fā)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(tài)信號的同步誤差，首先將定制的MEMS加速度計最小系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)字1模塊和串口通訊模塊；隨后使用數(shù)字鎖相環(huán)將PPS信號倍頻至GPS組合慣導的輸出頻率作為SAR型ADC的采樣時鐘，并在指定的時間觸發(fā)采集標準振動測試臺在Z軸方向產(chǎn)生的正弦振動信號，其頻率應為SAR型ADC采樣頻率的1/10以下；最后將MEMS加速度計和GPS組合慣導所測振動信號經(jīng)GPS時間戳同步后，測量兩者的相位差經(jīng)換算成時間信息后，由SAR型ADC的采樣延遲和加速度計的響應延遲時間的代數(shù)和減去該時間值，即得GPS組合慣導中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差。
[0016]對于Delta-Sigma類型ADC的過米樣延遲、重米樣后的時間延遲和GPS組合慣導中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差，則可在加速度計的響應延遲時間標定后通過單次試驗就測得它們的代數(shù)和。首先將定制的MEMS加速度計最小系統(tǒng)和GPS組合慣導固定于標準的振動測試臺上；然后將加速度計最小系統(tǒng)在Z軸方向的模擬輸出替代SQUID讀出電路，連接至與之適配的Delta-Sigma類型ADC，而原系統(tǒng)測控裝置的其他配置不變；隨后使用原程序對指定時間開始采集的標準振動測試臺產(chǎn)生的Z軸方向正弦振動信號進行重采樣；最后將重采樣數(shù)據(jù)和GPS組合慣導所測加速度數(shù)據(jù)經(jīng)GPS時間戳同步后，測量兩者的相位差，經(jīng)換算成時間信息后再減去加速度計的響應延遲時間，即為Delta-Sigma類型ADC的過采樣延遲、重采樣后的時間延遲以及GPS組合慣導中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差之代數(shù)和。
[0017]關于SQUID讀出電路的信號響應延遲，則可利用其自帶的Test功能來測量。首先在SQUID正常工作后，在其讀出電路的Test端口加入函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的標準正弦波信號；然后將此輸入信號和SQUID讀出電路的輸出信號一起連至高速示波器，測量兩者的延遲時間，即可獲得SQUID讀出電路的信號響應延遲。按照此方法可逐一標定SQUID讀出電路所有通道的信號響應延遲。此外，在磁屏蔽環(huán)境中測量，該方法效果更佳。
[0018]至此，所有影響航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度因素的延遲已被測出，然后將SQUID讀出電路的信號響應延遲、Delta-Sigma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(shù)字1信號延遲以及GPS組合慣導中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差進行代數(shù)和運算即可獲得所測航空超導磁測量系統(tǒng)的同步精度，從而完成標定工作。
[0019]綜上所述，利用GPS組合慣導可直接測量加速度或角速度的特點，通過將系統(tǒng)中的SQUID讀出電路替換為模擬輸出的加速度傳感器，在標定加速度傳感器和SQUID讀出電路的信號響應延遲、Delta-Sigma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(shù)字1信號延遲以及GPS組合慣導中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差后，通過代數(shù)運算計算出系統(tǒng)的同步精度。
[0020]采用高速示波器、函數(shù)發(fā)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(tǒng)的測控裝置構建，通過模擬輸出的加速度計和GPS組合慣導在標準的振動測試臺上同時測量同一方向的振動信號，然后基于加速度計相位測量間接標定系統(tǒng)的同步精度
[0021]本實用新型的有益效果是，本實用新型提出航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度標定方法并完成裝置搭建的同時，不但能提供真正意義上的百納秒級同步測量精度，而且還能很方便地在原有系統(tǒng)測控裝置的基礎上快速搭建所述標定裝置。此外，按本實用新型所述方法構建的所述裝置，實現(xiàn)簡單，成本低廉，可操作性強，對成功研制航空超導磁測量系統(tǒng)意義重大。

【附圖說明】

[0022]下面結合附圖和實施例對本實用新型進一步說明。
[0023]圖1是航空超導磁測量系統(tǒng)核心測控裝置的框圖。
[0024]圖2是測量接收PPS信號數(shù)字1時間延遲的框圖。
[0025]圖3是測量SAR型ADC采樣延遲的框圖。
[0026]圖4是測量MEMS加速度計響應延遲的框圖。
[0027]圖5是測量Delta-Sigma類型ADC的過采樣延遲、重采樣后的時間延遲和PPS信號與位置姿態(tài)信號同步誤差的框圖。
[0028]圖6是測量SQUID讀出電路響應延遲的框圖。
[0029]圖7是測量PPS信號與位置姿態(tài)信號同步誤差的框圖。
[0030]圖中1.CompactR1 控制器 NI CR1 9025，2.CompactR1 可重配置機箱 NI CR19118，3.Delta-Sigma 型 ADC NI 9239Α，4.Delta-Sigma 型 ADC NI 9239Β，5.串口通訊模塊NI 9871,6.數(shù)字1模塊NI 9402，7.GPS組合慣導SPAN LCI, 8.工作環(huán)境監(jiān)測組件，9.SQUID讀出電路，10.高速示波器，11.SAR型ADC模塊NI 9223，12.函數(shù)發(fā)生器，13.標準的振動測試臺，14.ADXL203加速度計最小系統(tǒng)。

【具體實施方式】
[0031]為使本實用新型的目的、具體方案和優(yōu)點更加清晰，以下結合具體實施例，并參照附圖，對本實用新型進一步詳細說明。
[0032]本實用新型所涉及的航空超導磁測量系統(tǒng)核心測控裝置主要由CompactR1控制器 NI CR1 9025 1、CompactR1 可重配置機箱 NI CR1 91182、Delta-Sigma 型 ADC NI9239A 3、De Ita-Sigma 型 ADC NI 9239B 4、串口通訊模塊 NI 9871 5、數(shù)字 1 模塊 NI 94026,GPS組合慣導SPAN LCI 7、工作環(huán)境監(jiān)測組件8以及SQUID讀出電路9組成，其硬件框圖如圖1所示。其中 Delta-Sigma 型 ADC NI 9239A 3、De Ita-Sigma 型 ADC NI 9239B 4、串口通訊模塊NI 9871 5以及數(shù)字1模塊NI 9402 6均是Nat1nal Instruments公司的C系列模塊，需要插入CompactR1可重配置機箱NI CR1 9118 2對應的槽位中，并與CompactR1控制器NI CR1 9025 I 一起構成完整的CompactR1開發(fā)平臺后才能正常工作；GPS組合慣導SPAN LCI 7用于獲取超導磁測量組件的飛行位置與姿態(tài)信息，其輸出的秒脈沖信號PPS通過同軸線與數(shù)字1模塊NI 9402 6的一個端口連接，而其輸出授時時間、位置姿態(tài)等信息的接口則與串口通訊模塊NI 9871 5的一個RS422端口連接，在系統(tǒng)正常工作時，首先利用CompactR1可重配置機箱NI CR1 9118 2背板上的FPGA對PPS信號數(shù)字鎖相生成的倍頻時鐘對原始測量信號進行重采樣，然后在接收到觸發(fā)采集的PPS信號時由串口讀取此時GPS的精確授時時間，從而以時間戳的方式實現(xiàn)GPS組合慣導SPAN LCI 7飛行位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與SQUID讀出電路9磁測量數(shù)據(jù)的同步；工作環(huán)境監(jiān)測組件8用于測量航空超導磁測量系統(tǒng)的輔助量，包括溫濕度、氣壓、液氦液位等參數(shù)，并過RS485接口與串口通訊模塊NI9871 5適配；SQUID讀出電路9用于實現(xiàn)被測磁場到電量的轉換，采用標準的傳統(tǒng)磁通鎖定環(huán)工作模式，共8個通道，前4個通道為一組分別連接至Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3的四個通道，后4個通道為另一組分別連接至Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4的四個通道，并通過與串口通訊模塊NI 9871 5的剩余RS485接口中一個適配以實現(xiàn)控制。
[0033]從上述航空超導磁測量系統(tǒng)核心測控裝置的工作原理，可知影響航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度的因素包括:SQUID讀出電路9的信號響應延遲tl、Delta-Sigma型ADC NI9239A 3和Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4單通道的過采樣延遲t2、CompactR10可重配置機箱NI CR1 9118 2進行重采樣后的時間延遲t3、接收PPS信號的數(shù)字1模塊NI 9402 6的時間延遲t4以及GPS組合慣導SPAN LCI 7中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差t5。
[0034]本實用新型實現(xiàn)航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度標定的方法是結合GPS組合慣導SPAN LCI 7能直接測量加速度這一特點，在如圖1所示的測控裝置中引入ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14以及與其配套的SAR型ADC模塊NI 9223 11、函數(shù)發(fā)生器12、標準的振動測試臺13 ;然后通過對比它們在同時測量同一標準振動測試臺13產(chǎn)生的振動信號所得的加速度數(shù)據(jù)可獲取到相位延遲信息，再經(jīng)換算即可獲得與之對應的時間信息；最后再將利用高速示波器10和函數(shù)發(fā)生器12標定后的SQUID讀出電路9的響應延遲11與引入ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14的延時t6和上述時間信息做代數(shù)運算即可獲得所測系統(tǒng)的同步精度，從而完成相關的標定工作。
[0035]其中a)函數(shù)發(fā)生器12中CHl與數(shù)字1模塊NI 9402 6相連，函數(shù)發(fā)生器12CH2與SAR型ADC模塊NI 9223 11相連；
[0036]b) GPS組合慣導SPANLCI 7和ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14插入標準測試臺13Z方向的對應槽中，且ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14另一端與Delta-Sigma型ADCNI 9239 A3相連；
[0037]c) ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14的output端與高速示波器10的CHl端相連，而高速示波器10的CH2端則與函數(shù)發(fā)生器12與Set-Test相連，ADL203加速度計最小系統(tǒng)14的Set-Test端與函數(shù)發(fā)生器12相連；
[0038]d)高速示波器10中的CHl端與數(shù)字1模塊NI 9402 6中CH3端相連，高速示波器10中的CH2端則與數(shù)字1模塊NI 9402 6中的CHl和CH2相連。
[0039]測量接收PPS信號的數(shù)字1模塊NI 9402 6的時間延遲t4的硬件框圖如圖2所示。首先從數(shù)字1模塊NI 9402 6剩余的1 口中選擇兩個并設置為輸出端口；然后對圖1所示CompactR1開發(fā)平臺重新編程使其中一個數(shù)字1接口 CH2生成頻率為IKHz的方波信號，并連接至接收PPS信號的數(shù)字1 口 CHl和高速示波器10的一個通道CH2，而另一個則用于在接收PPS信號的數(shù)字1 口 CHl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至高速示波器10的另一個通道CHl ;最后通過高速示波器10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(shù)字1的延遲2xt4。
[0040]SAR型ADC模塊NI 9223 11也是標準C系列模塊，可工作在圖1中的CompactR1開發(fā)平臺中，并可按照輸入的外時鐘信號進行采樣，主要用于采集ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14的模擬輸出，而測量SAR型ADC采樣延遲的硬件框圖如圖3所示。首先讓圖1所示CompactR1開發(fā)平臺中的數(shù)字1模塊NI9402 6接收函數(shù)發(fā)生器12通道CHl產(chǎn)生的采樣時鐘(1KHz的TTL方波)，同時讓函數(shù)發(fā)生器12的另一通道CH2生成標準的零相位正弦波信號，并輸出到已安裝在CompactR1可重配置機箱NI CR1 9118 2槽位中的SAR型ADC模塊NI922311中，其頻率是100Hz，而且相位同步；然后利用CompactR1可重配置機箱NICR1 9118 2背板中FPGA的計數(shù)功能在開始采集的I秒鐘后開始記錄2秒的采樣數(shù)據(jù)；隨后測量該采集數(shù)據(jù)的相位，即可經(jīng)換算獲得SAR型ADC模塊NI 9223 11在采樣過程中的延遲t7。
[0041]ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14是在MEMS芯片ADXL203及其配套器件的基礎上進行PCB布板后定制(PCB板需要加厚至1.6cm以上)，并包含供電電池，其帶寬設置為10Hz。測量ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14的響應延時t6的硬件框圖如圖4所示，它是利用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進行直接測量。首先將穩(wěn)定工作的ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14的Self-Test端口通過同軸線連接至函數(shù)發(fā)生器12和高速示波器10的通道CH2，同時將其被測通道的輸出端口 Output連接至高速示波器的通道CHl ;然后在函數(shù)發(fā)生器12輸出TTL電平的IHz方波信號后，利用高速示波器10測量上述輸入輸出信號的時間延遲，即得ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14的響應延遲時間t6。
[0042]對于Delta-Sigma 型 ADC NI 9239A 3 和 Delta-Sigma 型 ADC NI 9239B 4 單通道的過采樣延遲t2、CompactR10可重配置機箱NI CR1 9118 2進行重采樣后的時間延遲t3以及GPS組合慣導SPAN LCI 7中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差t5，則可在ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14響應延遲時間t6標定后通過單次試驗就測得它們的代數(shù)和，其測量硬件框圖如圖5所示。首先將ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14和GPS組合慣導SPAN LCI7固定于標準的振動測試臺13上；然后將ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14在Z軸方向的模擬輸出替代SQUID讀出電路9，并連接至與之適配的Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3或Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4中一個通道，而圖1所示原系統(tǒng)測控裝置的其他配置不變；隨后使用原程序對指定時間開始采集的標準振動測試臺13產(chǎn)生的Z軸方向正弦振動信號進行重采樣；最后將重采樣數(shù)據(jù)和GPS組合慣導SPAN LCI 7所測加速度數(shù)據(jù)經(jīng)GPS時間戳同步后，測量兩者的相位差，經(jīng)換算成時間信息后再減去ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14的響應延遲時間t6，即為Delta-Sigma類型ADC的過采樣延遲t2、CompactR10可重配置機箱NI CR1 9118 2進行重采樣后的時間延遲t3以及GPS組合慣導SPAN LCI 7中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差t5之代數(shù)和。
[0043]測量SQUID讀出電路9響應延遲的硬件框圖如圖6所示，它是利用SQUID讀出電路9自帶的Test功能來測量。首先在SQUID正常工作后，在其讀出電路9被測通道的Test端口加入函數(shù)發(fā)生器12產(chǎn)生的標準正弦波信號；然后將此輸入信號和SQUID讀出電路9被測通道的輸出信號一起連至高速示波器10，測量兩者的延遲時間，即可獲得SQUID讀出電路9的信號響應延遲tl。按照此方法可逐一標定SQUID讀出電路9所有通道的信號響應延遲。
[0044]如圖7所示，為單獨標定GPS組合慣導SPAN LCI 7中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差t5，首先將定制的ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14和GPS組合慣導SPAN LCI 7固定于標準的振動測試臺13上；然后將ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14在Z軸方向的模擬輸出連接至在圖3所示CompactR1開發(fā)平臺中的SAR型ADC模塊NI 9223 11，而GPS組合慣導SPAN LCI 7則保持原樣連接對應的串口通訊模塊NI 9871 5和數(shù)字1模塊NI 94026 ；隨后使用數(shù)字鎖相環(huán)將PPS信號倍頻至GPS組合慣導的輸出頻率作為SAR型ADC模塊NI9223 11的采樣時鐘，并在指定的時間觸發(fā)采集標準的振動測試臺13產(chǎn)生的Z軸方向正弦振動信號，其頻率應為20Hz或以下；最后將ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14和GPS組合慣導SPAN LCI 7所測振動信號經(jīng)GPS時間戳同步后，測量兩者的相位差，經(jīng)換算成時間信息后，由SAR型ADC模塊NI 9223 11的采樣延遲t7和ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14的響應延遲時間t6的代數(shù)和減去該時間值，即得GPS組合慣導SPAN LCI 7中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差t5。
[0045]至此，所有影響航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度因素的延遲已被測出，然后將SQUID讀出電路的信號響應延遲tl、Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3和Delta-Sigma型ADC NI9239B 4單通道的過采樣延遲t2、CompactR1可重配置機箱NI CR1 9118 2進行重采樣后的時間延遲t3、接收PPS信號的數(shù)字1模塊NI 9402 6的時間延遲t4以及GPS組合慣導SPAN LCI 7中PPS信號與位置姿態(tài)信號的同步誤差t5進行代數(shù)和運算即可獲得所測航空超導磁測量系統(tǒng)的同步精度，從而完成標定工作。
[0046]綜合所述，采用所述方法構建的裝置包括高速示波器10、函數(shù)發(fā)生器12、ADXL203加速度計最小系統(tǒng)14、SAR型ADC模塊NI 9223 11、標準的振動測試臺13以及圖1所示航空超導磁測量系統(tǒng)的測控裝置。
[0047]以上所述的具體實施例，對本實用新型的目的、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，以上所述僅為本實用新型的具體實施例而已，并不用于限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內(nèi)。
【權利要求】
1.一種航空超導磁測量系統(tǒng)同步精度的標定裝置，其特征在于包括高速示波器、函數(shù)發(fā)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(tǒng)的測控裝置，其中SAR型高速ADC與被測系統(tǒng)的測控裝置兼容，并具有同步采集功能；所述的模擬輸出的加速度計和標準的振動測試臺通過螺栓剛性連接，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；所述的測控裝置是由SQUID讀出電路、數(shù)據(jù)采集與通訊組件、飛行位置與姿態(tài)信息記錄組件、工作環(huán)境監(jiān)測組件以及人機界面組件組成；GPS組合慣導提供的飛行位置姿態(tài)數(shù)據(jù)與磁測量數(shù)據(jù)的同步是利用秒脈沖信號PPS數(shù)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(tài)信息融合后來實現(xiàn)的。2.按權利要求1所述的裝置，其特征在于: ①所述的測控裝置主要由CompactR1控制器NICR1 9025 (I)、CompactR1可重配置機箱 NI CR1 9118(2)、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239A(3)、Delta-Sigma 型 ADCNI 9239B(4)、串口通訊模塊 NI 9871 (5)、數(shù)字 1 模塊 NI 9402 (6)、GPS 組合慣導 SPANLCI (7)、工作環(huán)境監(jiān)測組件(8)以及SQUID讀出電路(9)組成，其中Delta-Sigma型ADCNI 9239A(3)、Delta-Sigma 型 ADC NI 9239B (4)、串口通訊模塊 NI 9871(5)以及數(shù)字 1模塊NI 9402(6)插入CompactR1可重配置機箱NI CR1 9118 (2)對應的槽位中，并與CompactR1控制器NI CR1 9025(1) 一起構成完整的CompactR1開發(fā)平臺；GPS組合慣導SPAN LCI (7)獲取超導磁測量組件的飛行位置與姿態(tài)信息，輸出的秒脈沖信號PPS通過同軸線與數(shù)字1模塊NI9402(6)的一個端口連接，而其輸出授時時間、位置姿態(tài)等信息的接口則與串口通訊模塊NI 9871(5)的一個RS422端口連接； ②在上述①的測控裝置中引入ADXL203加速度計最小系統(tǒng)(14)以及與其配套的SAR型ADC模塊NI 9223(11)、函數(shù)發(fā)生器(12)、標準的振動測試臺(13);然后通過對比它們在同時測量同一標準振動測試臺(13)產(chǎn)生的振動信號所得的加速度數(shù)據(jù)可獲取到相位延遲信息，再經(jīng)換算即可獲得與之對應的時間信息；最后再將利用高速示波器(10)和函數(shù)發(fā)生器(12)標定后的SQUID讀出電路(9)的響應延遲與引入ADXL203加速度計最小系統(tǒng)(14)的延時和上述時間信息做代數(shù)運算即可獲得所測系統(tǒng)的同步精度，從而完成相關的標定工作； 其中a)函數(shù)發(fā)生器(12)中CHl與數(shù)字1模塊NI 9402(6)相連，函數(shù)發(fā)生器(12)CH2與SAR型ADC模塊NI 9223 (11)相連； b)GPS組合慣導SPANLCI (7)和ADXL203加速度計最小系統(tǒng)(14)插入標準測試臺(13)Z方向的對應槽中，且ADXL203加速度計最小系統(tǒng)(14)另一端與Delta-Sigma型ADCNI9239A⑶相連； c)ADXL203加速度計最小系統(tǒng)(14)的output端與高速示波器(10)的CHl端相連，而高速示波器(10)的CH2端則與函數(shù)發(fā)生器(12)與Set-Test相連，ADL203加速度計最小系統(tǒng)(14)的Set-Test端與函數(shù)發(fā)生器(12)相連； d)高速示波器(10)中的CHl端與數(shù)字1模塊NI9402(6)中CH3端相連，高速示波器(10)中的CH2端則與數(shù)字1模塊NI 9402(6)中的CHl和CH2相連。3.按權利要求2所述的裝置，其特征在于: ①接收秒脈沖PPS信號數(shù)字1是采用同步精度高的FPGA架構； ②SAR型高速ADC用于采集加速度計的模擬輸出，存在響應時間延遲時間，采用ADXL203型MEMS加速度計； ③MEMS加速度傳感器芯片為ADXL203，帶寬設置為10Hz。
【文檔編號】G05B19-042GK204270072SQ201420765765
【發(fā)明者】伍俊, 榮亮亮, 孔祥燕, 謝曉明 [申請人]中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所