伍　俊，邱隆清，孔祥燕，榮亮亮，謝曉明

（中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050）

基于GPS同步的新型低溫超導(dǎo)磁力儀*

伍俊*，邱隆清，孔祥燕，榮亮亮，謝曉明

（中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海200050）

針對(duì)地球物理勘探中高精度磁場(chǎng)測(cè)量以及遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)同步的需求，本文基于低溫超導(dǎo)量子干涉儀和圖形化系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)建了一種可通過(guò)GPS同步的新型磁力儀，并可采用簡(jiǎn)便的直讀方式進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)量。首先介紹了新型低溫超導(dǎo)磁力儀的工作原理，并重點(diǎn)闡述了由其程控直讀電路以及軟硬件設(shè)計(jì)方案；然后在分析影響超導(dǎo)磁力儀數(shù)據(jù)同步因素的基礎(chǔ)上，給出了GPS同步實(shí)現(xiàn)及其同步精度標(biāo)定的方法；最后在良好的磁屏蔽環(huán)境中對(duì)超導(dǎo)磁力儀的性能以及電磁兼容進(jìn)行了評(píng)估，并對(duì)影響其同步的相關(guān)因素進(jìn)行了測(cè)試和標(biāo)定，試驗(yàn)表明傳感器的本底噪聲約為，數(shù)據(jù)同步精度可達(dá)1 μs，滿足實(shí)用要求。

磁力儀；GPS同步；超導(dǎo)量子干涉儀；磁場(chǎng)測(cè)量；直讀電路

磁力儀是指可測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向的儀器，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地球物理勘探領(lǐng)域，而且是很多物探設(shè)備的核心測(cè)量組件，比如大地電磁法、可控源音頻大地電磁法、瞬變電磁法以及航空全張量磁梯度法。目前我國(guó)未探明的礦產(chǎn)資源基本分布在深部礦或隱伏礦中，為提高物探中常用磁法探測(cè)的深度和精確度，采用性能優(yōu)異的磁傳感器或組件無(wú)疑是最理想的解決方案［1-2］。

超導(dǎo)量子干涉儀（Superconducting QUantum Interference Device）是目前世界上已知最靈敏的磁測(cè)量傳感器［3］，研制由其構(gòu)建的磁力儀則可顯著提升物探磁測(cè)技術(shù)水平，進(jìn)而提升地球深部資源信息的獲取能力，但在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要極低噪聲的讀出電路與其匹配，而通常匹配是通過(guò)變壓器和磁通調(diào)制間接完成的［4］，使用時(shí)十分不方便，因此研制可直讀的超導(dǎo)磁力儀具有非常重要的實(shí)用價(jià)值。

將超導(dǎo)磁力儀應(yīng)用于大地電磁法或瞬變電磁法時(shí)，如果引入遠(yuǎn)程參考端，則它們存在一個(gè)共同的測(cè)試需求:多通道遠(yuǎn)距離同步采集［5-6］；將超導(dǎo)磁力儀應(yīng)用于航空全張量磁梯度時(shí)，磁測(cè)量信號(hào)則必須與組合慣導(dǎo)數(shù)據(jù)同步后進(jìn)行姿態(tài)投影以保證數(shù)據(jù)的有效性［7］。由此可見(jiàn)，為滿足這些測(cè)試需求，基于GPS同步則是唯一且現(xiàn)實(shí)的解決方案。

1　超導(dǎo)磁力儀的工作原理及實(shí)現(xiàn)

1.1新型SQUID及其讀出電路

SQUID是基于約瑟夫森結(jié)構(gòu)建的磁通電壓轉(zhuǎn)換器，雖然有著無(wú)可媲美的磁場(chǎng)靈敏度，但其I-Φ（或V-Φ）特性并不是線性的，需要在噪聲匹配后通過(guò)磁通鎖定環(huán)（Flux Lock Loop，簡(jiǎn)稱FLL）線性化以達(dá)到實(shí)用化的目的［3］。為克服傳統(tǒng)dc SQUID讀出電路采用磁通調(diào)制方式進(jìn)行噪聲匹配所帶來(lái)的問(wèn)題，中科院上海微系統(tǒng)所與德國(guó)于利希研究中心合作研究并開(kāi)發(fā)出一種新型的SQUID自舉電路（SQUID Bootstrap Circuit，簡(jiǎn)稱SBC）［8-9］。

圖1所示為工作在電壓偏置模式下的可直讀SBC，可見(jiàn)它主要由兩條支路B1和B2組成，其中由SQUID和電感L1（兩者互感為M1）構(gòu)成的支路B1用于增加SQUID的電流磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)?I/?Φ；而由電感L2和電阻Rs（L2與SQUID互感為M2）構(gòu)成的支路B2則用于提高SQUID的動(dòng)態(tài)電阻。通過(guò)以上兩條支路即可提高電壓磁通傳輸系數(shù)?V/?Φ來(lái)抑制前置運(yùn)算放大器噪聲的貢獻(xiàn)，并實(shí)現(xiàn)噪聲匹配。

圖1　工作在電壓偏置下的可直讀SQUID自舉電路

了解SBC的具體工作原理需要詳細(xì)分析這兩條支路。首先在假定L1和L2之間不存在互感的前提下單獨(dú)分析B1支路的作用。由于互感M1的存在，流經(jīng)B1支路的電流in1將在SQUID環(huán)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)額外的磁通in1M1，并導(dǎo)致SQUID的IΦ（電壓工作模式）特性曲線出現(xiàn)不對(duì)稱，其變化后的電流磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)（?I/?Φ ）B1如式（1）所示。

式中:?I/?Φ為無(wú)L1時(shí)SQUID的原始電流磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)。

雖然B1支路能增加I-Φ特性曲線中陡邊的電流磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)，但因其動(dòng)態(tài)電阻Rd［1-M1（?I/?Φ）］也發(fā)生變化，故從式（2）可獲知B1支路的電壓磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)（?V/?Φ）B1保持不變，即無(wú)法抑制前端運(yùn)算放大器的噪聲。

式中:Rd為無(wú)L1時(shí)SQUID的原始動(dòng)態(tài)電阻。

在低頻工作條件下（ωnL1?R′d（B1），ωnL2?Rs），其中ωn為噪聲頻率，B1支路可等效為一個(gè)動(dòng)態(tài)電阻R′d（B1）和一個(gè)電流磁通轉(zhuǎn)換系數(shù)為（?I/?Φ）B1的SQUID，則因前端運(yùn)放噪聲電壓Vn在B2支路引入的噪聲電流in2=，將通過(guò)互感M2在SQUID環(huán)內(nèi)耦合一個(gè)磁通in2M2，而該磁通在SQUID兩端產(chǎn)生的噪聲電壓Vsn如式（3）所示。

綜合考慮B1和B2支路，可知在Vn和Vsn極性相同時(shí)，則SBC可有效抑制前端運(yùn)放的噪聲，但以Vn＞Vsn或Vn=Vsn為正常工作狀態(tài)。

基于FLL工作模式的SQUID讀出電路工作原理是通過(guò)SQUID自身的反饋線圈抵消外界磁場(chǎng)的變化，使其工作點(diǎn)始終保持在I-Φ（或V-Φ）曲線中某個(gè)靈敏度最高的點(diǎn)附近。傳統(tǒng)SQUID讀出電路多采用磁通調(diào)制方式，但本超導(dǎo)磁力儀受益于新型SQUID自舉電路而可以采用基于FLL的直讀方式［10］，極大地降低了應(yīng)用的難度。

研制的SBC程控直讀電路FLL前端采用電壓偏置工作模式，其模擬電路主要由前端放大器、帶偏移電壓調(diào)節(jié)的多級(jí)放大器、多功能積分器、正反邊選擇器、測(cè)試信號(hào)加載器以及集成在SBC上的反饋線圈組成，并通過(guò)電壓跟隨器緩沖輸出，其電路原理圖如圖2所示。

圖2　FLL前端模擬電路的原理圖

其中調(diào)節(jié)SBC工作參數(shù)的偏置電壓Vbias和偏移電壓Voffset由基于I2C總線的DAC提供；積分器除可通過(guò)模擬開(kāi)關(guān)提供兩個(gè)不同積分常數(shù)（結(jié)合反饋電阻，對(duì)應(yīng)兩個(gè)不同的量程）外，還提供了TUNE信號(hào)輸出（切換成反向放大器）和復(fù)位功能；正反邊選擇器則用于將SBC的工作點(diǎn)鎖定在I-Φ曲線的上升沿或下降沿。

1.2超導(dǎo)磁力儀的軟硬件設(shè)計(jì)

因受目前超導(dǎo)工藝影響，SQUID初始工作參數(shù)容易受外界因素影響，尤其在外界磁場(chǎng)波動(dòng)大時(shí)，每次上電均需要通過(guò)外部測(cè)試信號(hào)對(duì)TUNE信號(hào)進(jìn)行遍歷以找到最佳的工作點(diǎn)進(jìn)行鎖定［3］，因此研制的超導(dǎo)磁力儀不但需針對(duì)SQUID讀出電路提供高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，還需要提供工作參數(shù)調(diào)節(jié)功能及相應(yīng)的測(cè)試信號(hào)。此外，獲取的磁測(cè)量信號(hào)在上位機(jī)應(yīng)能提供數(shù)據(jù)顯示、信號(hào)處理以及保存等功能。

鑒于研制的超導(dǎo)磁力儀需要經(jīng)常工作在野外環(huán)境下，本文基于環(huán)境適應(yīng)性良好的NI CompactRIO開(kāi)發(fā)平臺(tái)構(gòu)建了一套可通過(guò)GPS同步的測(cè)控組件，并基于圖形化語(yǔ)言完成了其上位機(jī)軟件開(kāi)發(fā)。搭建的新型低溫超導(dǎo)磁力儀的硬件框圖如圖3所示，可見(jiàn)它主要由低溫組件、測(cè)控組件以及上位機(jī)三部分組成，其中低溫組件主要包含裝載液氦的杜瓦、SBC以及其多通道程控直讀電路，而測(cè)控組件則包含用于提供測(cè)試信號(hào)的DAC模塊、用于數(shù)據(jù)采集的ADC模塊、用于工作參數(shù)調(diào)整的RS485模塊以及用于數(shù)據(jù)同步的GPS接收機(jī)［11］，其中GPS接收機(jī)可采用獨(dú)立的，也可是集成的。

圖3　新型低溫超導(dǎo)磁力儀的硬件框圖

除固化在SBC程控直讀電路中的底層驅(qū)動(dòng)程序外，如圖4所示是新型超導(dǎo)磁力儀的軟件實(shí)現(xiàn)框圖，與硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)相對(duì)應(yīng)，其采用三層軟件架構(gòu)設(shè)計(jì):FPGA、RT和PC，分別對(duì)應(yīng)在CompactRIO的可重配置機(jī)箱、嵌入式實(shí)時(shí)控制器以及上位機(jī)上運(yùn)行的程序，其中SBC的工作參數(shù)以及GPS同步參數(shù)均由上位機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行設(shè)置和監(jiān)測(cè)，并融合生產(chǎn)者消費(fèi)者程序設(shè)計(jì)架構(gòu)來(lái)保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)響應(yīng)。

圖4　新型超導(dǎo)磁力儀的軟件實(shí)現(xiàn)框圖

2　GPS同步實(shí)現(xiàn)及相關(guān)標(biāo)定

2.1GPS同步實(shí)現(xiàn)及影響因素分析

超導(dǎo)磁力儀在應(yīng)用時(shí)其數(shù)據(jù)同步不僅僅特指多個(gè)超導(dǎo)磁力儀之間的同步，而且還涉及與其他類型傳感器之間的同步，比如光泵的總場(chǎng)信息、組合慣導(dǎo)的定向定位信息以及環(huán)境狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，因此需要詳細(xì)分析影響數(shù)據(jù)同步的各種因素，從而在基于GPS實(shí)現(xiàn)同步時(shí)提供技術(shù)支撐。

從信號(hào)鏈路層次分析，影響超導(dǎo)磁力儀數(shù)據(jù)同步的主要因素如下:SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲、Delta-Sigma類型ADC的信號(hào)鏈路延遲、數(shù)據(jù)采集觸發(fā)的準(zhǔn)時(shí)性以及ADC采樣時(shí)鐘的一致性。上述四種影響因素的消除均可通過(guò)標(biāo)定方式獲得解決方案，但ADC采樣時(shí)鐘一致性的標(biāo)定繁瑣而且時(shí)效性差，需要從設(shè)計(jì)上另外解決。

與SQUID讀出電路適配的是基于過(guò)采樣技術(shù)的Sigma-Delta ADC NI 9239，其工作時(shí)鐘頻率高達(dá)十幾MHz，從而無(wú)法通過(guò)GPS信號(hào)獲得而必須使用其板載的內(nèi)部時(shí)鐘，這必然導(dǎo)致廣域范圍數(shù)據(jù)同步時(shí)在采集觸發(fā)時(shí)間和采樣頻率方面出現(xiàn)誤差。為解決以上問(wèn)題，本文提出了一種基于GPS授時(shí)功能和信號(hào)重采樣的數(shù)據(jù)同步解決方案，其GPS同步實(shí)現(xiàn)流程如圖5所示。

圖5　基于信號(hào)重采樣的GPS同步實(shí)現(xiàn)流程

可見(jiàn)，實(shí)現(xiàn)GPS同步首先需要通過(guò)其PPS （Pulse Per Second）信號(hào)和數(shù)字鎖相環(huán)倍頻生成重采樣時(shí)鐘［12-13］；然后根據(jù)CompactRIO機(jī)箱的FPGA時(shí)鐘和NI 9239的板載時(shí)鐘對(duì)重采樣時(shí)鐘進(jìn)行標(biāo)定，進(jìn)而計(jì)算出對(duì)原始數(shù)據(jù)重采樣的位置；最后采用從抽樣信號(hào)恢復(fù)連續(xù)時(shí)間信號(hào)的方式完成原始采集數(shù)據(jù)的重采樣。

從抽樣信號(hào)恢復(fù)連續(xù)時(shí)間信號(hào)可通過(guò)ADC采集的帶限信號(hào) f（t）的沖激序列抽樣信號(hào) fs（t）與理想低通濾波器h（t）的時(shí)域卷積來(lái)實(shí)現(xiàn)［14］，而信號(hào)重采樣則可根據(jù)計(jì)算獲得的重采樣位置平移濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如式（4）所示。

式中:Ts為沖激抽樣序列的周期，ωc為濾波器的截止頻率，Sa（t）為sint與t之比構(gòu)成的函數(shù)，tr為重采樣位置對(duì)應(yīng)的偏移時(shí)間，h（t）為。

鑒于SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲會(huì)隨其帶寬而變化，故只能通過(guò)標(biāo)定消除，但Delta-Sigma類型ADC的信號(hào)鏈路延遲是固定的，可查閱其技術(shù)手冊(cè)獲取，必要時(shí)也可標(biāo)定，本磁力儀ADC的信號(hào)輸入延遲td如式（5）所示。

式中:fs為ADC模塊的采樣頻率。

2.2同步精度標(biāo)定

2.2.1SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲

SQUID讀出電路通常自帶測(cè)試功能，用于調(diào)整工作參數(shù)及標(biāo)定磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)，如圖2所示，其測(cè)試信號(hào)經(jīng)電阻分壓后通過(guò)反饋線圈耦合到SQUID中（反饋線圈的電感只有幾μH，信號(hào)傳輸延遲可忽略），而SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲，也可利用此功能來(lái)標(biāo)定，其標(biāo)定方法如圖6所示。首先在SQUID正常工作后，在其讀出電路的測(cè)試（Test）端口加入函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)正弦波信號(hào)；然后將此輸入信號(hào)和SQUID讀出電路的輸出信號(hào)一起連至高速示波器或者ADC，測(cè)量?jī)烧叩难舆t時(shí)間，即可獲得SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲。按照此方法則可逐一標(biāo)定SQUID讀出電路所有通道的信號(hào)響應(yīng)延遲。

圖6　SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲標(biāo)定方法

2.2.2ADC重采樣后的同步精度

在數(shù)據(jù)采集時(shí)，其同步精度往往受限于ADC采樣時(shí)鐘的一致性，而采用基于GPS的重采樣技術(shù)則可以很大程度地改善這個(gè)問(wèn)題，但重采樣后的實(shí)際同步精度及效果需要標(biāo)定后才能確定。

在遠(yuǎn)距離范圍內(nèi)基于GPS同步的多個(gè)模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊可以通過(guò)測(cè)量同一正弦輸入信號(hào)的相位來(lái)標(biāo)定其數(shù)據(jù)采集及重采樣后的同步精度，其中正弦輸入信號(hào)的相位同步性可用同一信號(hào)發(fā)生器經(jīng)同等長(zhǎng)度的同軸線和三通連接器來(lái)保障，如圖7所示是ADC重采樣后的同步精度標(biāo)定方法。首先，將兩個(gè)或多個(gè)需要標(biāo)定的ADC連接至相位同步的同一正弦信號(hào)；然后按照正常基于GPS同步的工作流程開(kāi)始采集并記錄數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的時(shí)間戳；最后對(duì)比采集數(shù)據(jù)以獲得所測(cè)輸入正弦信號(hào)的相位差psyn，并換算成相應(yīng)的時(shí)間信息即可獲得需要的同步精度tsyn，其換算關(guān)系見(jiàn)式（6）。式中:Tin為輸入正弦信號(hào)的周期。

圖7　ADC重采樣后的同步精度標(biāo)定方法

在需要標(biāo)定超導(dǎo)磁力儀與組合慣導(dǎo)定向定位信息的同步精度時(shí)，如果忽略組合慣導(dǎo)的PPS信號(hào)與定向定位信息的同步誤差，則只需將圖7中信號(hào)源輸出的測(cè)試正弦信號(hào)限定為GPS的PPS信號(hào)觸發(fā)即可，然后按時(shí)間戳在整秒位置計(jì)算其相位即可獲得相應(yīng)的同步精度。

3　試驗(yàn)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證

3.1超導(dǎo)磁力儀性能驗(yàn)證

在完成SQUID磁通電壓轉(zhuǎn)換系數(shù)和磁通磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換系數(shù)的標(biāo)定后［3］，本文在磁屏蔽室中利用定制的單匝平面線圈以及安捷倫的函數(shù)發(fā)生器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀對(duì)超導(dǎo)磁力儀的本底噪聲和靈敏度等性能進(jìn)行了驗(yàn)證［15］。首先在杜瓦上繞制一單匝平面線圈，使其位置與測(cè)量垂直方向磁場(chǎng)的SQUID器件等高，并與一個(gè)精密電阻串聯(lián)后再連接至磁屏蔽室外經(jīng)電阻分壓后的函數(shù)發(fā)生器；然后將超導(dǎo)磁力儀的模擬輸出由SQUID讀出電路直接連接至動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀35670A，其他則維持磁力儀原有的硬件連接關(guān)系。

在試驗(yàn)時(shí)，首先按正常流程調(diào)整SBC器件的工作參數(shù)并鎖定最佳工作點(diǎn)；然后按照畢奧-薩法爾定律利用定制的單匝平面線圈產(chǎn)生指定頻率（310 Hz）和強(qiáng)度（有效值約為7.7 fT）的正弦變化磁場(chǎng)，其中磁場(chǎng)強(qiáng)度計(jì)算方法見(jiàn)式（7）。

式中:u0為真空磁導(dǎo)率；I為線圈的電流；R為線圈半徑。

然后使用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量SBC讀出電路的輸出，測(cè)試值疊加50次后的結(jié)果如圖8所示。數(shù)據(jù)表明試驗(yàn)用SBC的本底噪聲約為，而加載磁場(chǎng)的測(cè)量值是，并按照動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀35670A在1.6kHz帶寬下幅值譜與功率密度譜的換算關(guān)系可知其磁場(chǎng)強(qiáng)度有效值約為8.6 fT，與計(jì)算值基本相符，其誤差主要來(lái)源于試驗(yàn)裝置的標(biāo)定誤差以及結(jié)構(gòu)誤差，同時(shí)也受磁力儀的分辨率限制。

圖8　超導(dǎo)磁力儀的性能測(cè)試

3.2電磁兼容評(píng)估

SQUID獨(dú)一無(wú)二的高靈敏度是把雙刃劍，在獲得高靈敏度技術(shù)指標(biāo)的同時(shí)，也極大增加了設(shè)備的電磁兼容性（EMI）要求。為對(duì)超導(dǎo)磁力儀測(cè)控組件和低溫組件的電磁兼容進(jìn)行定性和定量的評(píng)估，本文在磁屏蔽室中采用動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀分別在室內(nèi)和室外對(duì)干擾源進(jìn)行定位，并測(cè)試其干擾強(qiáng)度。

圖9所示是超導(dǎo)磁力儀測(cè)控組件對(duì)低溫組件的EMI評(píng)估，通過(guò)在磁屏蔽室室內(nèi)和室外測(cè)試的數(shù)據(jù)與SQUID的磁通本底噪聲以功率譜密度的方式進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明數(shù)據(jù)采集模塊在無(wú)屏蔽環(huán)境下對(duì)SQUID的干擾以輻射為主，其中基于CRIO的測(cè)控組件近距離（約1.5 m）時(shí)在1 kHz左右的低頻段引入的干擾將SQUID本底噪聲抬高4倍，而經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單屏蔽處理后則可與SQUID實(shí)現(xiàn)無(wú)逢連接。

圖9　磁力儀測(cè)控組件對(duì)低溫組件的EMI測(cè)試

3.3同步精度驗(yàn)證

在研究超導(dǎo)磁力儀的同步精度時(shí)，首先需要知道其具體設(shè)計(jì)要求。對(duì)于超導(dǎo)磁力儀，它的同步精度就其本身而言，僅決定于被測(cè)量的擺率及其相關(guān)的測(cè)量精度，但從系統(tǒng)角度來(lái)考慮，因受木桶效應(yīng)影響，其同步精度要求又受限于其他技術(shù)指標(biāo)，比如設(shè)備的線性度、模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率。鑒于研制的超導(dǎo)磁力儀動(dòng)態(tài)范圍小于120 dB，而且其線性度大于10-5，故磁力儀的同步精度保證1 μs以下即可。

為對(duì)比重采樣前后的同步精度，按照前面所述ADC重采樣后同步精度的標(biāo)定方法，在輸入同一正弦測(cè)試信號(hào)（頻率1 kHz）并不開(kāi)啟重采樣功能的前提下，采用GPS的PPS信號(hào)以時(shí)間戳的方式直接觸發(fā)兩臺(tái)CRIO測(cè)控組件的數(shù)據(jù)采集，從而通過(guò)相位對(duì)比即可獲得無(wú)重采樣的數(shù)據(jù)同步精度，測(cè)試結(jié)果如圖10所示。

圖10　無(wú)重采樣的數(shù)據(jù)同步精度

可見(jiàn)其同步精度在60 s后就接近400 μs，并隨時(shí)間線性衰減。按照上述實(shí)驗(yàn)方案，在開(kāi)啟重采樣功能后，即可獲得基于GPS和信號(hào)重采樣的數(shù)據(jù)同步精度，如圖11所示。

圖11　重采樣后的數(shù)據(jù)同步精度

可見(jiàn)其同步精度優(yōu)于0.1 μs，滿足設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。此外，為獲得GPS信號(hào)丟失后的數(shù)據(jù)同步精度，在測(cè)試重采樣后的數(shù)據(jù)同步精度時(shí)，拔掉GPS天線，相應(yīng)的測(cè)試結(jié)果即為GPS丟失后重采樣的數(shù)據(jù)同步精度，如圖12所示，可見(jiàn)其在50 s內(nèi)仍小于1 μs，其性能因數(shù)字鎖相環(huán)的存在而遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)重采樣的數(shù)據(jù)同步精度。

圖12　GPS丟失后重采樣的數(shù)據(jù)同步精度

在同步超導(dǎo)磁力儀時(shí)，必須考慮SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲，按照前面所述標(biāo)定方法，設(shè)定讀出電路的帶寬為10 kHz，并在輸入信號(hào)為1 kHz的正弦波時(shí)，其測(cè)試結(jié)果如圖13所示，可見(jiàn)其信號(hào)響應(yīng)延遲的平均值約為29.50 μs，峰峰值為0.2 μs（即波動(dòng)范圍），從而在磁力儀同步精度的設(shè)計(jì)要求為1 μs時(shí)，只需減去信號(hào)響應(yīng)延遲的平均值，即可忽略其波動(dòng)值。

圖13　SQUID讀出電路的信號(hào)響應(yīng)延遲

4　結(jié)論

本文基于我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的SQUID自舉電路，采用簡(jiǎn)便的直讀方式構(gòu)建了一種新型的高精度低溫超導(dǎo)磁力儀，在磁屏蔽室的測(cè)試結(jié)果顯示其本底噪聲約為，與傳統(tǒng)基于磁通調(diào)制讀出電路的超導(dǎo)磁力儀相當(dāng)，從而可極大地方便SQUID在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。此外，研制的超導(dǎo)磁力儀可基于GPS在硬件層面上通過(guò)重采樣技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，而且按照文中給出的標(biāo)定方法獲得的多項(xiàng)試驗(yàn)結(jié)果表明其系統(tǒng)整體同步精度優(yōu)于1 μs，相對(duì)無(wú)重采樣其性能有了巨大的提升，并且在GPS信號(hào)丟失后仍能在50 s內(nèi)通過(guò)數(shù)字鎖相環(huán)保證數(shù)據(jù)的同步精度，從而為超導(dǎo)磁力儀在磁法勘探和航空全張量磁梯度測(cè)量等領(lǐng)域中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

［1］ 黃大年，于平，底青云，等.地球深部探測(cè)關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢(shì)［J］.吉林大學(xué)學(xué)報(bào):地球科學(xué)版，2012，42（5）:1485-1496.

［2］ 董樹(shù)文，李廷棟，陳宣華，等.我國(guó)深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展綜述［J］.地球物理學(xué)報(bào)，2012，55（12）:3884-3901.

［3］ John Clarke，Alex I Braginski.The SQUID Handbook Vol.I Fundamentals and Technology of SQUIDs and SQUID Systems［M］. WILEY-VCH:WILEY-VCH Verlag GmbH&Co.KgaA，2004:7-12，128-131.

［4］ 劉明，徐曉峰，王永良，等.超導(dǎo)量子干涉器件讀出電路中匹配變壓器的傳輸特性研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2013，62（18）:188501.

［5］ Chwala A，Smit J P，Stolz R，et al.Low Temperature SQUID Magnetometer Systems for Geophysical Exploration with Transient Electromagnetics［J］.Superconductor Science and Technology，2011，24（4）:125006.

［6］ 仇根根，張小博，白大為.大地電磁法遠(yuǎn)參考處理技術(shù)壓制噪聲干擾的應(yīng)用效果分析［J］.工程地球物理學(xué)報(bào)，2014，11（3）: 305-310.

［7］ Stolz R，Zakosarenko V，Schulz M，et al.Magnetic Full Tensor SQUID Gradiometer System for Geophysical Applications［J］.The Leading Edge，2012，（2）:178-180.

［8］ Zhang Yi，Zhang G F，Wang H W，et al.Comparison of Noise Performance of dc SQUID Bootstrap Circuit with that of the Standard Flux Modulation dc SQUID Readout Scheme［J］.IEEE Trans Appl Supercond，2011，21（3）:501-504.

［9］ Xiaoming Xie，Yi Zhang，Huiwu Wang，et al.A Voltage Biased Superconducting Quantum Interference Device Bootstrap Circuit［J］. Superconductor Science and Technology，2010，23（6）:065016.

［10］Yongliang Wang，Xiaoming Xie，Hui Dong，et al.Voltage Biased SQUID Bootstrap Circuit:Circuit Model and Numerical Simulation ［J］.IEEE Trans Appl Supercond，2011，21（3）:354-357.

［11］胡星星，滕云田，張煉，等.井下磁力計(jì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的研制［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2011，24（11）:1590-1595.

［12］于生寶，王忠，嵇艷鞠.GPS同步瞬變電磁探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)，2005，19（4）:39-42.

［13］帥旗.基于FPGA的全數(shù)字鎖相環(huán)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.大連:大連理工大學(xué)，2013.

［14］鄭君里，應(yīng)啟珩，楊為理.信號(hào)與系統(tǒng)［M］.第2版.北京:高等教育出版社，2004:294-295.

［15］田武剛，胡佳飛，王偉，等.磁阻型弱磁傳感器特性自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2013，26（2）:200-204.

伍?。?983-），男，2007年畢業(yè)于北京科技大學(xué)，獲得碩士學(xué)位，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所高級(jí)工程師，主要研究領(lǐng)域是測(cè)量控制與信號(hào)處理，wujun@mail.sim.ac.cn；

邱隆清（1979-），男，2008年畢業(yè)于同濟(jì)大學(xué)，獲得博士學(xué)位，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所副研究員。目前從事基于超導(dǎo)量子干涉器件的極低場(chǎng)核磁共振及地球物理勘探方面的研究。近年來(lái)已在Appl.Phys.Lett.等國(guó)內(nèi)外核心刊物上發(fā)表學(xué)術(shù)論文20余篇，lq.qiu@mail.sim.ac.cn；

孔祥燕（1973-），女，2005年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)院物理研究所，獲得博士學(xué)位，2005-2010年日本大阪大學(xué)博士后，現(xiàn)為中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所研究員，2011年入選中科院“百人計(jì)劃”，主要從事超導(dǎo)量子干涉器件研制及其應(yīng)用研究，xykong@mail.sim.ac.cn。

A Novel Low Temperature SQUID Magnetometer Based on GPS Synchronization*

WU Jun*，QIU Longqing，KONG Xiangyan，RONG Liangliang，XIE Xiaoming
（Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology，Chinese Academy of Sciences，Shanghai 200050，China）

To meet the requirements of high precision magnetic field measurement and remote data synchronization in geophysical exploration，this paper presents a novel magnetometer based on low-temperature Superconducting QUantum Interference Device（SQUID）and graphical system development platform，which can be used to measure magnetic field in a simple direct readout way and synchronized with GPS.First of all，this paper introduces the working principle and the programmable direct readout circuit of the novel SQUID magnetometer，and then focuses on its hardware and software design.Secondly，the paper gives the methods of GPS synchronization and synchronization accuracy calibration after completing the analysis of SQUID magnetometer data synchronization factors.Finally，several trials have been done to assess the main performance and Electro Magnetic Compatibility（EMC）of the novel superconducting magnetometer，and calibrated related factors affecting its data synchronization.The results show that the magnetometer background noise is about，and its data synchronization accuracy is better than 1 μs，well positioned to meet the practical requirements.

magnetometer；GPS synchronization；SQUID；magnetic field measurement；direct readout circuit EEACC:3240R；7210；7310L；7730doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2015.09.014

TH763

A

1004-1699（2015）09-1347-07

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目（ZDYZ2012-1）；航空超導(dǎo)全張量磁梯度測(cè)量裝置項(xiàng)目（ZDYZ2012-1-02）

2015-04-24修改日期:2015-06-12