CN104850033B - 一种航空超导磁测量系统同步精度的标定方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种航空超导磁测量系统同步精度的标定方法及装置，能提供真正意义上的百纳秒级同步测量精度。所述方法，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系统的同步精度；采用高速示波器、函数发生器、模拟输出的加速度计、SAR型或Delta‑Sigma类型高速ADC、标准的振动测试台以及被测系统的测控装置构建适用的装置，利用所述方法标定系统同步精度；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。

Description

一种航空超导磁测量系统同步精度的标定方法及装置

技术领域

本发明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。

背景技术

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，本发明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。

发明内容

为了解决航空超导磁测量系统同步精度的标定问题，本发明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。

本发明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，所以本发明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，因此本发明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芯片下的高速数字IO接收函数发生器产生的采样时钟(TTL的方波)，同时让函数发生器的另一通道生成标准的零相位正弦波信号，并输出到SAR型高速ADC，其频率是采样时钟的1/n(如1/100)，而且相位同步；然后利用FPGA的计数功能在整秒钟后(如1秒)开始记录一定长度(如2秒)的采样数据；随后测量该采集数据的相位，即可经换算获得SAR型高速ADC在采样过程中的延迟。

加速度传感器即使在模拟输出的情况下也会存在响应延迟时间，对于本发明选择的MEMS加速度计(ADXL203)和市面常见的加速度传感器一样，其响应时间并未在技术指标中给出，而采用本发明所述方法实现同步精度测量，必须知道此响应延迟时间。测量加速度传感器响应延迟时间的方法有以下两种：方法一是通过测量标准振动测试台的加速度及能迅速反映其位移的电阻变化值间接获取，首先将定制的MEMS加速度计最小系统固定于标准的振动测试台上，而标准的振动测试台则与精密滑动变阻器的滑动端刚性连接，以实现精密滑动变阻器的电阻可随振动测试台的位移改变；然后将加速度计在Z轴方向的模拟输出连接至在原系统测控装置中扩展的SAR型高速ADC，而精密滑动变阻器在串连精密的恒流源后用双绞线将滑动端和一个固定端也连接至SAR型高速ADC；随后在上述组件稳定工作后使用内部时钟采集标准振动测试台在Z轴方向产生的低频正弦振动信号；最后将采集的加速度数据和滑动变阻器的电阻变化数据进行相位差测量，经换算成时间信息后即得加速度计的响应延迟时间。方法二是利用MEMS加速度计的Self-Test功能以静电力代替机械力驱动敏感元件直接测量，首先将稳定工作的MEMS加速度计最小系统的Self-Test端口通过同轴线连接至函数发生器和高速示波器，同时将其输出端口也连接至高速示波器；然后在函数发生器输出TTL电平的方波信号后，利用高速示波器测量上述输入输出信号的时间延迟，即得加速度计的响应延迟时间。其中方法一相对方法二直观，而方法二相对方法一简单，容易操作。

为标定GPS组合惯导中PPS信号与位置姿态信号的同步误差，首先将定制的MEMS加速度计最小系统和GPS组合惯导固定于标准的振动测试台上；然后将加速度计在Z轴方向的模拟输出连接至在原系统测控装置中扩展的SAR型ADC，而GPS组合惯导则保持原样连接对应的数字IO模块和串口通讯模块；随后使用数字锁相环将PPS信号倍频至GPS组合惯导的输出频率作为SAR型ADC的采样时钟，并在指定的时间触发采集标准振动测试台在Z轴方向产生的正弦振动信号，其频率应为SAR型ADC采样频率的1/10以下；最后将MEMS加速度计和GPS组合惯导所测振动信号经GPS时间戳同步后，测量两者的相位差经换算成时间信息后，由SAR型ADC的采样延迟和加速度计的响应延迟时间的代数和减去该时间值，即得GPS组合惯导中PPS信号与位置姿态信号的同步误差。

对于Delta-Sigma类型ADC的过采样延迟、重采样后的时间延迟和GPS组合惯导中PPS信号与位置姿态信号的同步误差，则可在加速度计的响应延迟时间标定后通过单次试验就测得它们的代数和。首先将定制的MEMS加速度计最小系统和GPS组合惯导固定于标准的振动测试台上；然后将加速度计最小系统在Z轴方向的模拟输出替代SQUID读出电路，连接至与之适配的Delta-Sigma类型ADC，而原系统测控装置的其他配置不变；随后使用原程序对指定时间开始采集的标准振动测试台产生的Z轴方向正弦振动信号进行重采样；最后将重采样数据和GPS组合惯导所测加速度数据经GPS时间戳同步后，测量两者的相位差，经换算成时间信息后再减去加速度计的响应延迟时间，即为Delta-Sigma类型ADC的过采样延迟、重采样后的时间延迟以及GPS组合惯导中PPS信号与位置姿态信号的同步误差之代数和。

关于SQUID读出电路的信号响应延迟，则可利用其自带的Test功能来测量。首先在SQUID正常工作后，在其读出电路的Test端口加入函数发生器产生的标准正弦波信号；然后将此输入信号和SQUID读出电路的输出信号一起连至高速示波器，测量两者的延迟时间，即可获得SQUID读出电路的信号响应延迟。按照此方法可逐一标定SQUID读出电路所有通道的信号响应延迟。此外，在磁屏蔽环境中测量，该方法效果更佳。

至此，所有影响航空超导磁测量系统同步精度因素的延迟已被测出，然后将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进行代数和运算即可获得所测航空超导磁测量系统的同步精度，从而完成标定工作。

综上所述，利用GPS组合惯导可直接测量加速度或角速度的特点，通过将系统中的SQUID读出电路替换为模拟输出的加速度传感器，在标定加速度传感器和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后，通过代数运算计算出系统的同步精度。

采用高速示波器、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构建，通过模拟输出的加速度计和GPS组合惯导在标准的振动测试台上同时测量同一方向的振动信号，然后基于加速度计相位测量间接标定系统的同步精度

本发明的有益效果是，本发明提出航空超导磁测量系统同步精度标定方法并完成装置搭建的同时，不但能提供真正意义上的百纳秒级同步测量精度，而且还能很方便地在原有系统测控装置的基础上快速搭建所述标定装置。此外，按本发明所述方法构建的所述装置，实现简单，成本低廉，可操作性强，对成功研制航空超导磁测量系统意义重大。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是航空超导磁测量系统核心测控装置的框图。

图2是测量接收PPS信号数字IO时间延迟的框图。

图3是测量SAR型ADC采样延迟的框图。

图4是测量MEMS加速度计响应延迟的框图。

图5是测量Delta-Sigma类型ADC的过采样延迟、重采样后的时间延迟和PPS信号与位置姿态信号同步误差的框图。

图6是测量SQUID读出电路响应延迟的框图。

图7是测量PPS信号与位置姿态信号同步误差的框图。

图中1.CompactRIO控制器NI CRIO 9025，2.CompactRIO可重配置机箱NI CRIO9118，3.Delta-Sigma型ADC NI 9239A，4.Delta-Sigma型ADC NI 9239B，5.串口通讯模块NI9871，6.数字IO模块NI 9402，7.GPS组合惯导SPAN LCI，8.工作环境监测组件，9.SQUID读出电路，10.高速示波器，11.SAR型ADC模块NI 9223，12.函数发生器，13.标准的振动测试台，14.ADXL203加速度计最小系统。

具体实施方式

为使本发明的目的、具体方案和优点更加清晰，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明所涉及的航空超导磁测量系统核心测控装置主要由CompactRIO控制器NICRIO 90251、CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182、Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3、Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4、串口通讯模块NI 98715、数字IO模块NI 94026、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，其硬件框图如图1所示。其中Delta-Sigma型ADC NI9239A 3、Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4、串口通讯模块NI 98715以及数字IO模块NI 94026均是National Instruments公司的C系列模块，需要插入CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182对应的槽位中，并与CompactRIO控制器NI CRIO90251一起构成完整的CompactRIO开发平台后才能正常工作；GPS组合惯导SPAN LCI 7用于获取超导磁测量组件的飞行位置与姿态信息，其输出的秒脉冲信号PPS通过同轴线与数字IO模块NI 94026的一个端口连接，而其输出授时时间、位置姿态等信息的接口则与串口通讯模块NI 98715的一个RS422端口连接，在系统正常工作时，首先利用CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182背板上的FPGA对PPS信号数字锁相生成的倍频时钟对原始测量信号进行重采样，然后在接收到触发采集的PPS信号时由串口读取此时GPS的精确授时时间，从而以时间戳的方式实现GPS组合惯导SPAN LCI 7飞行位置姿态数据与SQUID读出电路9磁测量数据的同步；工作环境监测组件8用于测量航空超导磁测量系统的辅助量，包括温湿度、气压、液氦液位等参数，并过RS485接口与串口通讯模块NI 98715适配；SQUID读出电路9用于实现被测磁场到电量的转换，采用标准的传统磁通锁定环工作模式，共8个通道，前4个通道为一组分别连接至Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3的四个通道，后4个通道为另一组分别连接至Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4的四个通道，并通过与串口通讯模块NI 98715的剩余RS485接口中一个适配以实现控制。

从上述航空超导磁测量系统核心测控装置的工作原理，可知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9的信号响应延迟t1、Delta-Sigma型ADC NI9239A 3和Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4单通道的过采样延迟t2、CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182进行重采样后的时间延迟t3、接收PPS信号的数字IO模块NI 94026的时间延迟t4以及GPS组合惯导SPAN LCI 7中PPS信号与位置姿态信号的同步误差t5。

本发明实现航空超导磁测量系统同步精度标定的方法是结合GPS组合惯导SPANLCI 7能直接测量加速度这一特点，在如图1所示的测控装置中引入ADXL203加速度计最小系统14以及与其配套的SAR型ADC模块NI 922311、函数发生器12、标准的振动测试台13；然后通过对比它们在同时测量同一标准振动测试台13产生的振动信号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；最后再将利用高速示波器10和函数发生器12标定后的SQUID读出电路9的响应延迟t1与引入ADXL203加速度计最小系统14的延时t6和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。

其中a)函数发生器12中CH1与数字IO模块NI 94026相连，函数发生器12CH2与SAR型ADC模块NI 922311相连；

b)GPS组合惯导SPANLCI 7和ADXL203加速度计最小系统14插入标准测试台13Z方向的对应槽中，且ADXL203加速度计最小系统14另一端与Delta-Sigma型ADCNI 9239A 3相连；

c)ADXL203加速度计最小系统14的output端与高速示波器10的CH1端相连，而高速示波器10的CH2端则与函数发生器12与Set-Test相连，ADL203加速度计最小系统14的Set-Test端与函数发生器12相连；

d)高速示波器10中的CH1端与数字IO模块NI 94026中CH3端相连，高速示波器10中的CH2端则与数字IO模块NI 94026中的CH1和CH2相连。

测量接收PPS信号的数字IO模块NI 94026的时间延迟t4的硬件框图如图2所示。首先从数字IO模块NI 94026剩余的IO口中选择两个并设置为输出端口；然后对图1所示CompactRIO开发平台重新编程使其中一个数字IO接口CH2生成频率为1KHz的方波信号，并连接至接收PPS信号的数字IO口CH1和高速示波器10的一个通道CH2，而另一个则用于在接收PPS信号的数字IO口CH1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至高速示波器10的另一个通道CH1；最后通过高速示波器10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2xt4。

SAR型ADC模块NI 922311也是标准C系列模块，可工作在图1中的CompactRIO开发平台中，并可按照输入的外时钟信号进行采样，主要用于采集ADXL203加速度计最小系统14的模拟输出，而测量SAR型ADC采样延迟的硬件框图如图3所示。首先让图1所示CompactRIO开发平台中的数字IO模块NI94026接收函数发生器12通道CH1产生的采样时钟(10KHz的TTL方波)，同时让函数发生器12的另一通道CH2生成标准的零相位正弦波信号，并输出到已安装在CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182槽位中的SAR型ADC模块NI922311中，其频率是100Hz，而且相位同步；然后利用CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182背板中FPGA的计数功能在开始采集的1秒钟后开始记录2秒的采样数据；随后测量该采集数据的相位，即可经换算获得SAR型ADC模块NI 922311在采样过程中的延迟t7。

ADXL203加速度计最小系统14是在MEMS芯片ADXL203及其配套器件的基础上进行PCB布板后定制(PCB板需要加厚至1.6cm以上)，并包含供电电池，其带宽设置为100Hz。测量ADXL203加速度计最小系统14的响应延时t6的硬件框图如图4所示，它是利用MEMS加速度计的Self-Test功能以静电力代替机械力驱动敏感元件进行直接测量。首先将稳定工作的ADXL203加速度计最小系统14的Self-Test端口通过同轴线连接至函数发生器12和高速示波器10的通道CH2，同时将其被测通道的输出端口Output连接至高速示波器的通道CH1；然后在函数发生器12输出TTL电平的1Hz方波信号后，利用高速示波器10测量上述输入输出信号的时间延迟，即得ADXL203加速度计最小系统14的响应延迟时间t6。

对于Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3和Delta-Sigma型ADC NI 9239B 4单通道的过采样延迟t2、CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182进行重采样后的时间延迟t3以及GPS组合惯导SPAN LCI 7中PPS信号与位置姿态信号的同步误差t5，则可在ADXL203加速度计最小系统14响应延迟时间t6标定后通过单次试验就测得它们的代数和，其测量硬件框图如图5所示。首先将ADXL203加速度计最小系统14和GPS组合惯导SPAN LCI 7固定于标准的振动测试台13上；然后将ADXL203加速度计最小系统14在Z轴方向的模拟输出替代SQUID读出电路9，并连接至与之适配的Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3或Delta-Sigma型ADC NI9239B 4中一个通道，而图1所示原系统测控装置的其他配置不变；随后使用原程序对指定时间开始采集的标准振动测试台13产生的Z轴方向正弦振动信号进行重采样；最后将重采样数据和GPS组合惯导SPAN LCI 7所测加速度数据经GPS时间戳同步后，测量两者的相位差，经换算成时间信息后再减去ADXL203加速度计最小系统14的响应延迟时间t6，即为Delta-Sigma类型ADC的过采样延迟t2、CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182进行重采样后的时间延迟t3以及GPS组合惯导SPAN LCI 7中PPS信号与位置姿态信号的同步误差t5之代数和。

测量SQUID读出电路9响应延迟的硬件框图如图6所示，它是利用SQUID读出电路9自带的Test功能来测量。首先在SQUID正常工作后，在其读出电路9被测通道的Test端口加入函数发生器12产生的标准正弦波信号；然后将此输入信号和SQUID读出电路9被测通道的输出信号一起连至高速示波器10，测量两者的延迟时间，即可获得SQUID读出电路9的信号响应延迟t1。按照此方法可逐一标定SQUID读出电路9所有通道的信号响应延迟。

如图7所示，为单独标定GPS组合惯导SPAN LCI 7中PPS信号与位置姿态信号的同步误差t5，首先将定制的ADXL203加速度计最小系统14和GPS组合惯导SPAN LCI 7固定于标准的振动测试台13上；然后将ADXL203加速度计最小系统14在Z轴方向的模拟输出连接至在图3所示CompactRIO开发平台中的SAR型ADC模块NI 922311，而GPS组合惯导SPAN LCI 7则保持原样连接对应的串口通讯模块NI 98715和数字IO模块NI 94026；随后使用数字锁相环将PPS信号倍频至GPS组合惯导的输出频率作为SAR型ADC模块NI 922311的采样时钟，并在指定的时间触发采集标准的振动测试台13产生的Z轴方向正弦振动信号，其频率应为20Hz或以下；最后将ADXL203加速度计最小系统14和GPS组合惯导SPAN LCI 7所测振动信号经GPS时间戳同步后，测量两者的相位差，经换算成时间信息后，由SAR型ADC模块NI 922311的采样延迟t7和ADXL203加速度计最小系统14的响应延迟时间t6的代数和减去该时间值，即得GPS组合惯导SPAN LCI 7中PPS信号与位置姿态信号的同步误差t5。

至此，所有影响航空超导磁测量系统同步精度因素的延迟已被测出，然后将SQUID读出电路的信号响应延迟t1、Delta-Sigma型ADC NI 9239A 3和Delta-Sigma型ADC NI9239B 4单通道的过采样延迟t2、CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 91182进行重采样后的时间延迟t3、接收PPS信号的数字IO模块NI 94026的时间延迟t4以及GPS组合惯导SPAN LCI7中PPS信号与位置姿态信号的同步误差t5进行代数和运算即可获得所测航空超导磁测量系统的同步精度，从而完成标定工作。

综合所述，采用所述方法构建的装置包括高速示波器10、函数发生器12、ADXL203加速度计最小系统14、SAR型ADC模块NI 922311、标准的振动测试台13以及图1所示航空超导磁测量系统的测控装置。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种航空超导磁测量系统同步精度的标定方法，其特征在于所述方法结合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获取到相位延迟信息，再经换算即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作代数和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。

2.按权利要求1所述的标定方法，其特征在于首先利用CompactRIO可重配置机箱NICRIO 9118(2)背板上的FPGA对PPS信号数字锁相生成的倍频时钟对原始测量信号进行重采样，然后在接收到触发采集的PPS信号时由串口读取此时GPS的精确授时时间，从而以时间戳的方式实现GPS组合惯导SPAN LCI(7)飞行位置姿态数据与SQUID读出电路(9)磁测量数据的同步；工作环境监测组件(8)用于测量航空超导磁测量系统的包括温湿度、气压或液氦液位参数辅助量，并通过RS485接口与串口通讯模块NI 9871(5)适配；SQUID读出电路(9)用于实现被测磁场到电量的转换，采用标准的传统磁通锁定环工作模式，共8个通道，前4个通道为一组分别连接至Delta-Sigma型ADC NI 9239A(3)的四个通道，后4个通道为另一组分别连接至Delta-Sigma型ADC NI 9239B(4)的四个通道，并通过与串口通讯模块NI 9871(5)的剩余RS485接口中一个适配以实现控制。

3.按权利要求1所述的方法，其特征在于航空超导磁测量系统同步精度有①SQUID读出电路的信号响应延迟、②Delta-Sigma类型或SAR类型ADC的过采样延迟、③重采样后的时间延迟、④接收PPS信号的数字IO信号延迟以及⑤GPS组合惯导中PPS信号与位置姿态信号的同步误差。

4.按权利要求3所述的方法，其特征在于：

①测量SQUID读出电路(9)响应延迟是利用SQUID读出电路自带的Test功能来测量的，首先在SQUID正常工作后，在其读出电路(9)被测通道的Test端口加入函数发生器(12)产生的标准正弦波信号；然后将此输入信号和SQUID读出电路(9)被测通道的输出信号一起连至高速示波器(10)，测量两者的延迟时间，即可获得SQUID读出电路(9)的信号响应延迟；按照此方法可逐一标定SQUID读出电路(9)所有通道的信号响应延迟；

②采样过程中的延迟时间测量，首先测量SAR型ADC采样延迟，首先让CompactRIO开发平台中的数字IO模块NI 9402(6)接收函数发生器(12)通道CH1产生的采样时钟——10KHz的TTL方波，同时让函数发生器(12)的另一通道CH2生成标准的零相位正弦波信号，并输出到已安装在CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 9118(2)槽位中的SAR型ADC模块NI 9223(11)中，其频率是100Hz，而且相位同步；然后利用CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 9118(2)背板中FPGA的计数功能在开始采集的1秒钟后开始记录2秒的采样数据；随后测量该采集数据的相位，即可经换算获得SAR型ADC模块NI 9223(11)在采样过程中的延迟；

③ADXL203加速度计最小系统(14)是在MEMS芯片ADXL203及其配套器件的基础上进行加厚至1.6cm以上PCB布板后，并包含供电电池，其带宽设置为100Hz；测量ADXL203型加速度计最小系统(14)的响应延时(t6)的方法是利用MEMS加速度计的Self-Test功能以静电力代替机械力驱动敏感元件进行直接测量；首先将稳定工作的ADXL203加速度计最小系统(14)的Self-Test端口通过同轴线连接至函数发生器(12)和高速示波器(10)的通道CH2，同时将其被测通道的输出端口Output连接至高速示波器的通道CH1；然后在函数发生器(12)输出TTL电平的1Hz方波信号后，利用高速示波器(10)测量上述输入输出信号的时间延迟，即得ADXL203加速度计最小系统(14)的响应延迟时间；

④测量重采样后时间延迟以及权利要求3中④和⑤测量

将ADXL203加速度计最小系统(14)和GPS组合惯导SPAN LCI(7)固定于标准的振动测试台(13)上；然后将ADXL203加速度计最小系统(14)在Z轴方向的模拟输出替代SQUID读出电路(9)，并连接至与之适配的Delta-Sigma型ADC NI 9239A(3)或Delta-Sigma型ADC NI9239B(4)中一个通道，而原系统测控装置的其他配置不变；随后使用原程序对指定时间开始采集的标准振动测试台(13)产生的Z轴方向正弦振动信号进行重采样；最后将重采样数据和GPS组合惯导SPAN LCI(7)所测加速度数据经GPS时间戳同步后，测量两者的相位差，经换算成时间信息后再减去ADXL203加速度计最小系统(14)的响应延迟时间(t6)，即为Delta-Sigma类型ADC的过采样延迟、CompactRIO可重配置机箱NI CRIO 9118(2)进行重采样后的时间延迟以及GPS组合惯导SPAN LCI(7)中PPS信号与位置姿态信号的同步误差之代数和。

5.由权利要求1-4所述的标定方法构建的装置，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。

6.按权利要求5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 CRIO9025(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，而其输出授时时间、位置姿态等信息的接口则与串口通讯模块NI 9871(5)的一个RS422端口连接；

②在上述①的测控装置中引入ADXL203加速度计最小系统(14)以及与其配套的SAR型ADC模块NI 9223(11)、函数发生器(12)、标准的振动测试台(13)；然后通过对比它们在同时测量同一标准振动测试台(13)产生的振动信号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；最后再将利用高速示波器(10)和函数发生器(12)标定后的SQUID读出电路(9)的响应延迟与引入ADXL203加速度计最小系统(14)的延时和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；

其中a)函数发生器(12)中CH1与数字IO模块NI 9402(6)相连，函数发生器(12)CH2与SAR型ADC模块NI 9223(11)相连；

b)GPS组合惯导SPANLCI(7)和ADXL203加速度计最小系统(14)插入标准测试台(13)Z方向的对应槽中，且ADXL203加速度计最小系统(14)另一端与Delta-Sigma型ADCNI 9239A(3)相连；

c)ADXL203加速度计最小系统(14)的output端与高速示波器(10)的CH1端相连，而高速示波器(10)的CH2端则与函数发生器(12)与Set-Test相连，ADL203加速度计最小系统(14)的Set-Test端与函数发生器(12)相连；

d)高速示波器(10)中的CH1端与数字IO模块NI 9402(6)中CH3端相连，高速示波器(10)中的CH2端则与数字IO模块NI 9402(6)中的CH1和CH2相连。

7.按权利要求6所述的装置，其特征在于：

①接收秒脉冲PPS信号数字IO是采用同步精度高的FPGA架构；

②SAR型高速ADC用于采集加速度计的模拟输出，存在响应时间延迟时间，采用ADXL203型MEMS加速度计；

③MEMS加速度传感器芯片为ADXL203，带宽设置为100Hz。