一种基于gps同步的航空超导全张量磁梯度测控装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于GPS同步的航空超导全张量磁梯度测控装置，其特征在于所述的装置位于悬吊与吊舱子系统中的吊舱内；航空超导全张量磁梯度测控装置由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，并以数据采集与通讯组件为核心采用星型拓扑结构连接其它四个组件。本装置基于GPS授时功能通过数字锁相环生成的PPS倍频采样时钟对指定时间的特定信号重采样后，利用时间戳实现与GPS组合惯导给出的位置和姿态信息同步，从而通过姿态投影为反演奠定基础；并且所述装置特点是实现简单、可扩展性和可靠性高，非常适合在航空平台下应用。
【专利说明】—种基于GPS同步的航空超导全张量磁梯度测控装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种航空超导全张量磁梯度测控装置，尤其是一种基于GPS实现同步采集并具有姿态补偿和SQUID读出电路智能调控功能的航空超导全张量磁梯度测控装置。
【背景技术】
[0002]航空超导全张量磁梯度测量系统是通过在航空平台上搭载磁测设备，利用飞行过程中获取的由磁性矿产资源引起的地磁异常信息，从而实现对地下磁性地质性和矿体高效率、闻精度的二维定位，并获取它们的空间分布?目息。它具有探测效率闻，单位面积运行成本低等特点，并相对总场和分量场航磁测量，具有跨时代的意义，是目前航空磁物探技术的重要发展方向和国际研究前沿。
[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),而由 SQUID 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。不过SQUID在存在诸多优点的同时也存在一些局限，首先组成超导全张量磁梯度计的核心器件SQUID由于工艺的局限性，在每次上电工作时，需要手工或自动调整其多变的读出电路工作参数；其次SQUID对射频和涡流非常敏感，经常由于电磁兼容处理不到位导致其工作不正常；再者由于航空测量平台是运动的，需要在实现其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切割地磁场所引入的干扰。由于上述局限性的存在，从而对航空超导全张量磁梯度测控装置的研制提出了很大的挑战。
[0004]研制航空超导全张量磁梯度测量装置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，但目前我国在航空超导全张量磁梯度测量系统研制方面，除中国科学院上海微系统与信息技术研究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，尚未开展任何相关的研究，而且国外鲜有报道，从而与之配套的测控装置几乎需要从零开始构建。
[0005]综上所述，在国内外尚未见有关航空超导全张量磁梯度测控装置的公开报道，而其成功研制对我国矿产资源储备具有十分重要的战略意义。从而引导出本发明的构思。
【发明内容】
[0006]为了解决航空超导全张量磁梯度组件的测控问题，本发明提供一种基于GPS同步的航空超导全张量磁梯度测控装置，该装置不仅能在降低射频干扰影响的基础上实现SQUID读出电路的智能调控，而且还能在广域范围内通过高精度的同步测量，并经姿态投影后有效消除在运动时切割地磁场所引入的干扰。
[0007]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:航空超导全张量磁梯度测量系统主要由飞行平台、悬吊与吊舱子系统以及全张量测量子系统组成，其中航空超导全张量磁梯度测控装置位于悬吊与吊舱子系统中的吊舱内。从功能实现角度，航空超导全张量磁梯度测控装置通常需要由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，并以数据采集与通讯组件为核心采用星型拓扑结构连接其它四个组件，其中SQUID读出电路用于实现磁梯度及参考磁场到电量的转换；数据采集与通讯组件则用于完成全张量及其它辅助信号的同步采集、存储和通讯；飞行位置与姿态信息记录组件则用于记录超导全张量磁梯度组件的位置和姿态信息；工作环境监测组件则用于提供全张量磁梯度测量系统的气压、温湿度、液氦液位以及供电电池状态等辅助信息；人机界面组件则用于以人机对话的方式展现所有被测对象的信息。
[0008]本发明涉及的SQUID读出电路采用标准的传统磁通锁定环(FLL =Flux-LockedLoop)方式，用于实现磁梯度及参考磁场到电量的转换，共9个通道模拟量，并配备RS485数字通讯控制接口，其中全张量信息由位于六棱锥上的六个SQUID平面梯度计给出，同时为了补偿这六个梯度计不平衡度所导致的输出，在其紧邻区域的X、Y、Z方向分别增加一个磁强计。由于SQUID在上电时其工作参数存在一定的随机性，因此本发明从实用角度出发在数据采集与通讯组件中增加了智能调控功能，其工作流程是:加载标准的Test信号后，在采集SQUID Tune (FLL未锁定前)信号的基础上，首先通过RS485数字通讯控制接口大尺度地调节其offset工作参数，并观测其输出的极性变化，从极性变化相反的方向利用二分法调节Tune信号的偏置值趋于零伏附近；然后采用遍历方法在Tune信号不溢出的基础上依次调整bias和offset工作参数，记录其峰峰值的输出并查询最大值(电压偏置工作模式则查询最大值的0.9倍)；最后调节offset工作参数使该值对应Tune信号的偏置值趋于零，并以此时的bias和offset值为对应SQUID的最佳工作参数，锁定FLL。按照以上方法则可依次按地址完成航空超导全张量磁梯度测控装置中9个通道SQUID工作参数的调整。需要注意的是，在工作过程中监测到SQUID读出电路失锁后，同样可利用该智能调控功能重新锁定FLL。
[0009]根据航空超导全张量磁梯度测量系统的工作原理，其正常工作时不仅需要全张量磁梯度信息，而且需要与全张量磁梯度测量值对应的位置和姿态信息，其中姿态数据用于有效消除全张量磁梯度计在运动时切割地磁场所引入的干扰，此后才能综合位置信息通过反演获取地下磁性矿体的空间分布信息。为实现对超导全张量磁梯度测量组件位置和姿态信息的精确测量，本发明涉及的飞行位置与姿态信息记录组件采用带存储功能的GPS组合惯导，本实例选用的是NovAtel公司的高精度GPS组合惯导系统SPAN-LCI。虽然GPS组合惯导虽然能解决高精度的位置和姿态信息测量，尤其是在差分GPS基础上使用NovAtel公司的IE软件做后处理后，但其数据是独立的，需要和构成全张量的原始数据磁梯度和补偿用的磁场数据同步后才能有意义。本发明的同步是基于GPS时间授时来实现的，并利用GPS组合惯导输出的PPS信号来触发采集，而加拿大NovAtel公司的SPAN-LCI提供了高精度的PPS信号和用于读取授时时间、位置及姿态数据的数字接口 RS422。此外，GPS组合惯导需要与安装全张量磁梯度计的杜瓦刚性连接，以防止飞行测量过程中产生相对移动。
[0010]在航空超导全张量磁梯度测量系统工作时，监测吊舱内部的气压和温湿度、安装SQUID用的杜瓦内部的液氦液位、测控装置的供电电池电量等辅助信息对判断系统的工作状态至关重要，需要在获取全张量磁梯度的同时一并获取，不过其采样率要低很多，选用ISa/s即可。鉴于杜瓦的液氦在飞行过程中气化率会迅速增加，从而导致吊舱内温湿度大范围地波动，为了针对SQUID读出电路和全张量磁梯度采集提供温度补偿功能，吊舱内部的气压和温湿度采集应与全张量磁梯度同步，但因为温湿度是缓变量，同步精度要求在ms量级即可。在本发明中除电池电量监测外，其他辅助信息的测量接口均采用简洁的数字通讯接 Π RS485。
[0011]为增加系统的信息冗余度，本发明涉及的航空超导全张量磁梯度测控装置在上述传感器的基础上增加Bartington公司的磁通门用于测量被测磁场的三分量，其输出是三路模拟量。至此所有被测量已全部列出，需要数据采集与通讯组件与其接口，完成全张量磁梯度及其它辅助信号的同步采集、存储和通讯。
[0012]本发明涉及的数据采集与通讯组件为满足体积和功耗需求需要采用嵌入式系统定制，这里采用Nat1nal Instrument公司的图形化CompactR1平台开发。为实现超导全张量磁梯度9个通道信号和磁通门3个分量通道信号的高精度采集，选用3块分辨率为24位的Delta-Sigma类型ADC模块NI 9239，其中每个模块具有4个同步采集通道；为实现GPS组合惯导和全张量磁梯度的同步，选用I块高速数字1模块NI 9402接收秒脉冲PPS信号，同时选用I块串口通讯模块NI9871通过RS422接口接收授时时间、位置及姿态数据，其中NI 9871具有4个串口通讯通道，富余的3个通道用于实现工作环境监测组件中采用数字通讯接口的被测量监测；为实现电池电量等辅助模拟量信息的监测，选用分辨率为12位SAR型ADC模块NI 9221，不过电池的电压已超过ADC模块的最大输入值，需要分压后才能连接；结合上述模块信息和数据处理的需求，选用CR1 9025实时嵌入式控制器和8槽的CR1 9118可配置嵌入式机箱构建CompactR1硬件开发平台，其中前面提及的3块NI9239、I块9402、I块NI 9871和I块NI 9221均安装在CR1 9118中。此外，数据采集与通讯组件还包括用于航空超导全张量磁梯度测控装置供电的锂电池和用于网口转光纤接口的通讯模块，而其软件选用图形化的LabVIEW开发平台。
[0013]对于本发明中基于GPS时间授时实现数据采集同步的方式，有两点需要特别指出的是:其一，Delta-Sigma类型ADC过采样的工作原理决定了 NI 9239的内部主时钟频率要高达十几MHz，从而必须使用其板载内部时钟(在同一个CR1 9118内NI 9239可以共享时钟)，而无法通过GPS信号获得，这必然导致经过采样输出的采样值在时间轴上只与其内部主时钟频率相关，但为实现同步采集，其采样时钟必须基于PPS信号通过数字锁相环来提供，以防止内部主时钟在长时间独立工作时所引入的测量误差；其二，鉴于同步采集涉及GPS组合惯导中的位置和姿态信息，因此使用NI 9239进行模拟采样时，其采样值必须由某指定采集时间的秒脉冲信号PPS触发，并与基于PPS信号通过数字锁相环生成的采样时钟同步，需要注意的是，在PPS触发采集时需要通过NI 9871的RS422串口读取GPS组合惯导的精确授时时间，以标志数据采集开始时间，从而与GPS组合惯导存储的位置和姿态数据文件通过绝对时间戳同步。此外，为实现以上功能，需要计算NI 9239内部实际的采样时钟和由数字锁相环生成的采样时钟之间的延时，然后通过重采样的方式真正在广域范围内实现包括位置和姿态信息在内的同步采集。在获得同步的全张量磁梯度及与其对应的姿态信息后，通过欧拉旋转变换即可实现姿态投影。
[0014]在电磁兼容方面，鉴于航空超导全张量磁梯度测控装置所在的吊舱空间限制，为降低数据采集与通讯组件(尤其是供电电源)和工作环境监测组件对SQUID的影响，将它们分别安装于与吊舱匹配的两个圆柱形箱体内，其中箱体材料采用非磁性材料铝合金。此夕卜，为降低箱体金属表面的涡流，在其表面采用滚花等工艺做局部分割后，再利用超级绝缘材料以带状搭接方式进行包裹。
[0015]基于CompactR1平台开发的数据采集与通讯组件没有人机界面，同时考虑到数据存储的冗余设计以及在航空平台上在线监测被测对象的需要，在作为航空平台的直升机上安装有带光纤转网口通讯模块(Sixnet公司的SLX-5MS)的上位机，通过图形化的LabVIEff开发平台和关系型数据库以人机对话的方式展现所有被测对象的信息，并存储被测数据和经过信号处理后的数据。
[0016]综上所述，本发明涉及一种基于GPS同步的航空超导全张量磁梯度测控装置，在实现全张量磁梯度组件全自动测控的基础上，通过与GPS组合惯导的位置和姿态信息同步为地质勘探提供反演数据，其特征是:采用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构建，通过时间戳与GPS组合惯导的位置和姿态信息同步后，可利用串口指令实现SQUID读出电路的智能调控，并可提供良好的电磁兼容性。
[0017]在GPS精准授时功能的基础上，通过数字锁相环生成的PPS倍频采样时钟对指定时间开始采集的全张量磁梯度等特定信号进行重采样后，然后利用时间戳实现与GPS组合惯导自存储的位置和姿态信息同步，最后再通过经典的欧拉旋转变换实现姿态投影，有效消除在运动时切割地磁场所引入的干扰。
[0018]在完成SQUID Tune信号同步采集的基础上，结合二分和遍历算法通过串口指令快速实现SQUID读出电路的自动最优工作参数调整和锁定，同时可在工作过程中提供失锁后自动锁定的功能。
[0019]通过在航空超导全张量磁梯度测控装置所包含的箱体表面进行局部分割处理以及使用超级绝缘进行多层带状搭接包裹，从而实现测控装置的EMC优化设计。
[0020]本发明的有益效果是，可以在实现国内首套航空超导全张量磁梯度测控装置的同时，不但可以在有效降低射频干扰影响的基础上利用图形化语言快速实现SQUID读出电路的智能调控，而且还能很方便地在广域范围内利用GPS和重采样实现高精度的同步测量，从而通过姿态投影有效消除在运动时切割地磁场所引入的干扰。本发明基于GPS授时功能通过数字锁相环生成的PPS倍频采样时钟对指定时间的特定信号重采样后，利用时间戳实现与GPS组合惯导给出的位置和姿态信息同步，从而通过姿态投影为反演奠定基础；所述装置，在同步采集SQUID Tune信号的基础上，结合二分和遍历算法通过串口指令快速实现SQUID读出电路的自动最优工作参数调整和锁定；所述装置，通过箱体表面处理和搭接包裹实现EMC优化设计，并且该装置实现简单、可扩展性和可靠性高，非常适合在航空平台下应用。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0022]图1是航空超导全张量磁梯度测控装置结构框图。
[0023]图2是航空超导全张量磁梯度测控装置硬件框图。
[0024]图3是基于GPS实现采集同步的工作原理流程图。
[0025]图4是数据采集与通讯组件箱体及其硬件布局图。
[0026]图中，1.吊舱，2.吊舱支架，3.数据采集与通讯组件，4.温湿度及气压监测模块，5.磁通门，6.SQUID读出电路，7.杜瓦，8.低温导线，9.全张量磁梯度组件，10.SQUID平面梯度计，11.GPS接收机及惯性测量单元頂U，12.光纤连接器A，13.光纤，14.光纤连接器B，15.上位机，16.人机界面组件箱体，17.光纤转网口模块，18.差分GPS基站，19.液氦液位计，20.GPS天线，21.供电电池，22.高精度ADC模块A，23.高精度ADC模块B，24.高精度ADC模块C，25.SAR型ADC模块，26.串口通讯模块，27.数字1模块，28.CompactR1可重配置机箱及控制器，29.网口转光纤模块，30.工作环境监测组件中数字接口部分，31.SQUID读出电路及磁通门输出，32.高精度ADC模块，33.板载内部主时钟，34.GPS接收机，35.数字锁相环，36.PPS倍频采样时钟，37.重采样位置，38.原始采样数据，39.信号重采样，40.带时间戳的定位及定向信息，41.NI公司C系列模块，42.LEMO连接器。
【具体实施方式】
[0027]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。
[0028]航空超导全张量磁梯度测控装置主要用于实现全张量磁梯度组件9的测量和控制，如图1所示，其主要由数据采集与通讯组件3、工作环境监测组件(温湿度及气压监测模块4、液氦液位计19以及分压后的供电电池21)、磁通门5、SQUID读出电路6、飞行位置与姿态信息记录组件(GPS接收机及惯性测量单元IMU11、差分GPS基站18、、GPS天线20)、人机界面组件(上位机15、人机界面组件箱体16、光纤转网口模块17)组成。因工作环境和电磁兼容设计需求，航空超导全张量磁梯度测控装置需要被安装在采用非磁性材料加工的吊舱I中吊舱支架2上，其中吊舱支架2采用层架式结构设计，其第一层用于安装杜瓦7，并在杜瓦7中配备了全张量磁梯度组件9、液氦液位计19以及用于传输信号低温导线8，而系统的核心测量传感器SQUID平面梯度计10被安装在六棱锥的六个斜面上，用于补偿的3个磁强计则被安装在六棱锥内部一个正方体的三个正交平面上；第二层用于安装采用模块设计的SQUID读出电路6，并通过低温导线8与全张量磁梯度组件9相连；第三层用于安装温湿度及气压监测模块4、磁通门5和GPS接收机和惯性测量单元MU11，它们均通过导线直接与数据采集与通讯组件3相连，其中温湿度及气压监测模块4采用圆柱体的机箱结构；第四层用于安装同样采用圆柱体机箱结构的数据采集与通讯组件3，并通过光纤连接器A12、光纤13和光纤连接器B14与位于飞行平台上人机界面组件连接。需要注意的是，上述机构均采用无磁性的环氧材料螺栓刚性连接，以防止相对移动。此外，考虑到接收GPS信号的质量，GPS天线20安装在吊舱I的顶部，并通过同轴线与GPS接收机及惯性测量单元MUll相连。为了在反演时提供全张量磁梯度组件9的精确位置信息，尤其高度信息，本发明在航空超导全张量磁梯度测控装置中增加了 GPS基站18用于差分处理。
[0029]航空超导全张量磁梯度测控装置的硬件配置是以CompactR1可重配置机箱及控制器28 (NI CR1 9118和NI CR1 9025)以及安放在CompactR1可重配置机箱NI CR191188个槽位中的高精度ADC模块A22 (NI 9239)、高精度ADC模块B23 (NI 9239)、高精度ADC 模块 C24(NI 9239)、SAR 型 ADC 模块 25 (NI 9221)、串口通讯模块 26 (NI 9871)、数字 1模块27 (NI 9402)组成的图形化测控平台为核心，其硬件配置框图如图2所示。可见，磁通门5输出的信号通过双绞屏蔽线与高精度ADC模块A22的3个通道依次相连；SQUID读出电路6输出的9个通道模拟信号经LEMO连接器通过定制的多股双绞屏蔽线分别高精度ADC模块A22、高精度ADC模块B23、高精度ADC模块C24相连，而其RS485数字通讯控制接口则通过双绞屏蔽线与串口通讯模块26相连，随后即可在CompactR1可重配置机箱及控制器28中根据智能调控算法利用高精度ADC模块采集的数据和串口通讯模块26实现SQUID读出电路6的智能调控，并在工作过程中实时监测其9个通道的模拟输出是否溢出，重新启动智能调控功能将失锁的SQUID读出电路锁定；航空超导全张量磁梯度测控装置的供电电池21经分压后通过双绞线与SAR型ADC模块25的接线端相连；工作环境监测组件中数字接口部分30包括温湿度及气压监测模块4和液氦液位计19，它们采用级联的方式同样通过双绞屏蔽线与串口通讯模块26相连；GPS接收机及惯性测量单元頂UlI的输出包含高速1 口输出的秒脉冲PPS和串口输出的精确授时、位置及姿态信息，其中秒脉冲PPS通过同轴线缆与数字1模块27的一个端口相连，精确授时、位置及姿态信息则通过双绞屏蔽线与串口通讯模块26剩余的通道相连。需要注意的是上述连接除分压后的供电电池21外，其他信号均须通过数据采集与通讯组件3箱体面板上的LEMO连接器与CompactR1开发平台中对应的模块连接。至此，上述航空超导全张量磁梯度测控装置被测信息已完成数字化，并利用GPS授时时间打上时间戳后存储在CompactR1可重配置机箱及控制器28中的NI CR1 9025中；然后通过线缆从CompactR1可重配置机箱及控制器28中的NI CR1 9025依次连接网口转光纤模块29、光纤13和光纤转网口模块17,以抗干扰能力极强的光通讯方式,将被测信息传输至上位机15中；最后通过图形化的LabVIEW开发平台和关系型数据库以人机对话的方式展现所有被测对象的信息，并存储被测数据和经过信号处理后的数据，以实现数据存储冗余提高可靠性。
[0030]本发明是基于GPS时间授时实现数据采集同步的，需要同步的数据包括SQUID读出电路及磁通门输出31、GPS组合惯导中带时间戳的定位及定向信息40以及温湿度及气压监测模块4的输出，其工作原理流程图如图3所示。首先由上位机15指定数据采集开始时间，在下发给CompactR1可重配置机箱及控制器28后，通过其数字1模块27和串口通讯模块26监测GPS组合惯导的输出，等待该指定时间的秒脉冲信号PPS出现后触发采集，需要注意的是GPS组合惯导数据自存储功能要在此前启动；然后3块高精度ADC模块32在共享板载内部主时钟33 (由高精度ADC模块A22提供)的情况下同步采集SQUID读出电路及磁通门输出31，并获得原始采样数据38，但由于Delta-Sigma类型ADC过采样的工作原理，此采样时钟是独立的，无法与GPS组合惯导中带时间戳的定位及定向信息40同步，因此最终的采样时钟必须基于PPS信号通过数字锁相环35倍频来提供，如此即可经过信号重采样39与通过GPS接收机34输出的带时间戳的定位及定向信息40融合后实现真正的同步，并可防止内部主时钟在长时间独立工作时所引入的测量误差；最后在温湿度及气压监测模块
4的输出同步上，鉴于它们是缓变量，采样率又低，因此可借助于CompactR1可重配置机箱及控制器28背板的FPGA架构在同步处理的优势，在接收到秒脉冲信号PPS后通过串口通讯模块26直接读取即可。
[0031]本发明通过信号重采样实现同步的方法如下:首先由数字1模块27读取GPS接收机34输出的秒脉冲PPS信号，然后利用数字锁相环35生成用户指定的PPS倍频采样时钟36，接着再通过计数的方式计算NI 9239内部实际的采样时钟(由板载内部主时钟33生成)和由数字锁相环生成的PPS倍频采样时钟36之间的延时获得重采样位置37，随后即可对原始采样数据38插值后利用已获得的重采样位置37实现信号重采样39。此时，经过信号重采样39获得的被测数据已与上位机15指定的数据采集开始时间对齐，而且该数据采集开始时间也与GPS时间同步，因此通过检索GPS组合惯导中存储文件中带时间戳的定位及定向信息40，即可实现同步。此外，在获得同步的全张量磁梯度及与其对应的姿态信息后，通过经典的欧拉旋转变换即可实现姿态投影。
[0032]数据采集与通讯组件3是航空超导全张量磁梯度测控装置信号流中的核心所在，加上吊舱I空间限制的因素，其电磁兼容设计尤为重要，从而需要对它的箱体进行定制。为最大限度利用吊舱I的空间，数据采集与通讯组件3采用圆柱形箱体，其中箱体材料采用非磁性材料铝合金。数据采集与通讯组件3的箱体及其硬件布局如图4所示，需要注意的是，为展示内部硬件布局，其圆柱形的侧壁被隐藏。可见，CompactR1可重配置机箱及控制器28、供电电池21 (共四块)和网口转光纤模块29通过螺栓固定安装在数据采集与通讯组件3箱体的衬板上，而箱体内外的信号通过LEMO连接器42互连，其中前面提及的6块NI公司C系列模块41则依次插在CompactR1可重配置机箱及控制器28的CR1 9118中。此夕卜，为降低箱体金属表面的涡流，在其表面采用滚花等工艺做局部分割后，再利用超级绝缘材料以带状搭接方式进行包裹，如此既满足了射频屏蔽的需求，又降低涡流对全张量磁梯度组件9的影响。出于电磁兼容设计考虑，温湿度及气压监测模块4的箱体采用与数据采集与通讯组件3 —样的结构和表面处理。
[0033]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。
【权利要求】
1.一种基于GPS同步的航空超导全张量磁梯度测控装置，其特征在于所述的航空超导全张量磁梯度测控装置位于悬吊与吊舱子系统中的吊舱内；航空超导全张量磁梯度测控装置由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，并以数据采集与通讯组件为核心采用星型拓扑结构连接其它四个组件。
2.按权利要求1所述的装置，其特征在于: ①SQUID读出电路用于实现磁梯度及参考磁场到电量的转换； ②数据采集与通讯组件则用于完成全张量及其它辅助信号的同步采集、存储和通讯； ③飞行位置与姿态信息记录组件则用于记录超导全张量磁梯度组件的位置和姿态信息； ④工作环境监测组件则用于提供全张量磁梯度测量系统的气压、温湿度、液氦液位以及供电电池状态等辅助信息； ⑤人机界面组件则用于以人机对话的方式展现所有被测对象的信息； 所述的SQUID读出电路采用磁通锁定环FLL用于实现磁梯度及参考磁场到电量的转换； 所述的数据采集与通讯组件中增加了智能调控功能，加载标准的Test信号后，在采集SQUID FLL未锁定前Tune信号的基础上，首先通过RS485数字通讯控制接口大尺度地调节其offset工作参数，并观测其输出的极性变化，从极性变化相反的方向利用二分法调节Tune信号的偏置值趋于零伏附近；然后采用遍历方法在Tune信号不溢出的基础上依次调整bias和offset工作参数，记录其峰峰值的输出并查询最大值；最后调节offset工作参数使该值对应Tune信号的偏置值趋于零，并以此时的bias和offset值为对应SQUID的最佳工作参数，锁定FLL ;按照所述的方法则可依次按地址完成航空超导全张量磁梯度测控装置中9个通道SQUID工作参数的调整； 所述的飞行位置与姿态信息记录组件采用带存储功能的GPS组合惯导，基于GPS时间授时功能通过数字锁相环生成的PPS倍频采样时钟对指定时间的特定信号重采样后，利用时间戳实现与GPS组合惯导给出的位置和姿态信息同步，从而通过姿态投影为反演奠定基础；所述装置，在同步采集SQUID Tune信号的基础上，结合二分和遍历算法通过串口指令快速实现SQUID读出电路的自动最优工作参数调整和锁定。
3.按权利要求2所述的装置，其特征在于: ①通过数字锁相环生成的PPS倍频采样时钟对指定时间开始采集的全张量磁梯度等特定信号进行重采样后，然后利用时间戳实现与GPS组合惯导自存储的位置和姿态信息同步，最后再通过经典的欧拉旋转变换实现姿态投影，有效消除在运动时切割地磁场所引入的干扰； ②在完成SQUIDTune信号同步采集的基础上，结合二分和遍历算法通过串口指令快速实现SQUID读出电路的自动最优工作参数调整和锁定，同时可在工作过程中提供失锁后自动锁定的功能； ③通过在航空超导全张量磁梯度测控装置所包含的箱体表面进行局部分割处理以及使用超级绝缘进行多层带状搭接包裹，从而实现测控装置的EMC优化设计。
4.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于: ①所述的数据采集与通讯组件采用嵌入式系统，采用Nat1nalInstrument公司的图形化CompactR1平台开发；为实现超导全张量磁梯度9个通道信号和磁通门3个分量通道信号的高精度采集，选用3块分辨率为24位的Delta-Sigma类型ADC模块NI 9239，其中每个模块具有4个同步采集通道；为实现GPS组合惯导和全张量磁梯度的同步，选用1块高速数字10模块NI9402接收秒脉冲PPS信号，同时选用1块串口通讯模块NI 9871通过RS422接口接收授时时间、位置及姿态数据，其中NI 9871具有4个串口通讯通道，其余的3个通道用于实现工作环境监测组件中采用数字通讯接口的被测量监测； ②由数字锁相环提供基于PPS信号的采样时钟；采样值在某指定采样时间的秒脉冲信号PPS触发，并与基于PPS信号通过数字锁相环生成的采样时间同步。
5.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述吊舱的支架采用层架式结构，其第一层用于安装杜瓦，并在杜瓦中配备了全张量磁梯度组件、液氦液位计以及用于传输信号低温导线，而系统的核心测量传感器SQUID平面梯度计被安装在六棱锥的六个斜面上，用于补偿的3个磁强计则被安装在六棱锥内部一个正方体的三个正交平面上；第二层用于安装采用模块设计的SQUID读出电路，并通过低温导线与全张量磁梯度组件相连；第三层用于安装温湿度及气压监测模块、磁通门和GPS接收机和惯性测量单元IMU，它们均通过导线直接与数据采集与通讯组件相连，其中温湿度及气压监测模块采用圆柱体的机箱结构；第四层用于安装同样采用圆柱体机箱结构的数据采集与通讯组件，并通过光纤连接器A、光纤和光纤连接器B与位于飞行平台上人机界面组件连接；GPS天线安装在吊舱的顶部，并通过同轴线与GPS接收机及惯性测量单元MU11相连；同时在航空超导全张量磁梯度测控装置中增加了 GPS基站用于差分处理，以在反演时提供全张量磁梯度组件的精确位置信息。
6.按权利要求1或2所述的装置，其特征在于所述的航空超导全张量磁梯度测控装置的硬件配置是以CompactR1可重配置机箱及控制器(28)，型号为NI CR10 9118或NI CR109025，以及安放在CompactR1可重配置机箱NI CR10 91188个槽位中的型号为NI 9239高精度ADC模块八(22)，型号为[9239高精度ADC模块B(23)，型号为NI 9239高精度ADC模块C(24)，SAR型ADC模块(25)，型号为NI 9221，串口通讯模块(26)，型号为NI 9871，数字10模块(27)，型号为NI 9402，组成的图形化测控平台为核心。磁通门(5)输出的信号通过双绞屏蔽线与高精度ADC模块A22的3个通道依次相连；SQUID读出电路(6)输出的9个通道模拟信号经LEM0连接器通过定制的多股双绞屏蔽线分别与高精度ADC模块A (22)、高精度ADC模块B (23)、高精度ADC模块C (24)相连，而RS485数字通讯控制接口则通过双绞屏蔽线与串口通讯模块(26)相连；随后即可在CompactR1可重配置机箱及控制器(28)中根据智能调控算法利用高精度ADC模块采集的数据和串口通讯模块(26)实现SQUID读出电路(6)的智能调控，并在工作过程中实时监测9个通道的模拟输出是否溢出，重新启动智能调控功能将失锁的SQUID读出电路锁定；航空超导全张量磁梯度测控装置的供电电池(21)经分压后通过双绞线与SAR型ADC模块(25)的接线端相连；工作环境监测组件中数字接口部分(30)包括温湿度及气压监测模块(4)和液氦液位计(19)，它们采用级联的方式同样通过双绞屏蔽线与串口通讯模块(26)相连；GPS接收机及惯性测量单元MU11的输出包含高速10 口输出的秒脉冲PPS和串口输出的授时、位置及姿态信息，其中秒脉冲PPS通过同轴线缆与数字10模块(27)的一个端口相连，精确授时、位置及姿态信息则通过双绞屏蔽线与串口通讯模块(26)剩余的通道相连。
7.使用权利要求1或2所述装置的同步方法，其特征在于通过信号重采样实现同步的步骤是: ①首先由数字10模块读取GPS接收机输出的秒脉冲PPS信号； ②然后利用数字锁相环生成用户指定的PPS倍频采样时钟，接着再通过计数的方式计算NI 9239内部实际的采样时钟和由数字锁相环生成的PPS倍频采样时钟之间的延时获得重采样位置； ③随后即可对原始采样数据插值后利用已获得的重采样位置实现信号重采样；此时，经过信号重采样获得的被测数据已与上位机指定的数据采集开始时间对齐，而且该数据采集开始时间也与GPS时间同步； ④因此通过检索GPS组合惯导中存储文件中带时间戳的定位及定向信息，即可实现同[K少; ⑤此外，在获得同步的全张量磁梯度及与其对应的姿态信息后，通过经典的欧拉旋转变换即可实现姿态投影； 所述的采样时钟由板载内部主时钟生成。
8.按权利要求7所述的方法，其特征在于需要同步的数据包括SQUID读出电路及磁通门输出、GPS组合惯导中带时间戳的定位及定向信息以及温湿度计气压监测模块的输出。
【文档编号】G01S19/47GK104407310SQ201410742613
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年12月8日 优先权日:2014年12月8日
【发明者】伍俊, 荣亮亮, 邱隆清, 蒋坤, 孔祥燕, 谢晓明 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所