基于GPS同步的新型低溫超導磁力儀*

伍　俊，邱隆清，孔祥燕，榮亮亮，謝曉明

（中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海200050）

基于GPS同步的新型低溫超導磁力儀*

伍俊*，邱隆清，孔祥燕，榮亮亮，謝曉明

（中國科學院上海微系統與信息技術研究所，上海200050）

針對地球物理勘探中高精度磁場測量以及遠距離數據同步的需求，本文基于低溫超導量子干涉儀和圖形化系統開發平臺構建了一種可通過GPS同步的新型磁力儀，并可采用簡便的直讀方式進行磁場測量。首先介紹了新型低溫超導磁力儀的工作原理，并重點闡述了由其程控直讀電路以及軟硬件設計方案；然后在分析影響超導磁力儀數據同步因素的基礎上，給出了GPS同步實現及其同步精度標定的方法；最后在良好的磁屏蔽環境中對超導磁力儀的性能以及電磁兼容進行了評估，并對影響其同步的相關因素進行了測試和標定，試驗表明傳感器的本底噪聲約為，數據同步精度可達1 μs，滿足實用要求。

磁力儀；GPS同步；超導量子干涉儀；磁場測量；直讀電路

磁力儀是指可測量磁場強度和方向的儀器，現廣泛應用于地球物理勘探領域，而且是很多物探設備的核心測量組件，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。目前我國未探明的礦產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的深度和精確度，采用性能優異的磁傳感器或組件無疑是最理想的解決方案［1-2］。

超導量子干涉儀（Superconducting QUantum Interference Device）是目前世界上已知最靈敏的磁測量傳感器［3］，研制由其構建的磁力儀則可顯著提升物探磁測技術水平，進而提升地球深部資源信息的獲取能力，但在實際應用時需要極低噪聲的讀出電路與其匹配，而通常匹配是通過變壓器和磁通調制間接完成的［4］，使用時十分不方便，因此研制可直讀的超導磁力儀具有非常重要的實用價值。

將超導磁力儀應用于大地電磁法或瞬變電磁法時，如果引入遠程參考端，則它們存在一個共同的測試需求:多通道遠距離同步采集［5-6］；將超導磁力儀應用于航空全張量磁梯度時，磁測量信號則必須與組合慣導數據同步后進行姿態投影以保證數據的有效性［7］。由此可見，為滿足這些測試需求，基于GPS同步則是唯一且現實的解決方案。

1　超導磁力儀的工作原理及實現

1.1新型SQUID及其讀出電路

SQUID是基于約瑟夫森結構建的磁通電壓轉換器，雖然有著無可媲美的磁場靈敏度，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磁通鎖定環（Flux Lock Loop，簡稱FLL）線性化以達到實用化的目的［3］。為克服傳統dc SQUID讀出電路采用磁通調制方式進行噪聲匹配所帶來的問題，中科院上海微系統所與德國于利希研究中心合作研究并開發出一種新型的SQUID自舉電路（SQUID Bootstrap Circuit，簡稱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）構成的支路B1用于增加SQUID的電流磁通轉換系數?I/?Φ；而由電感L2和電阻Rs（L2與SQUID互感為M2）構成的支路B2則用于提高SQUID的動態電阻。通過以上兩條支路即可提高電壓磁通傳輸系數?V/?Φ來抑制前置運算放大器噪聲的貢獻，并實現噪聲匹配。

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分析B1支路的作用。由于互感M1的存在，流經B1支路的電流in1將在SQUID環內產生一個額外的磁通in1M1，并導致SQUID的IΦ（電壓工作模式）特性曲線出現不對稱，其變化后的電流磁通轉換系數（?I/?Φ ）B1如式（1）所示。

式中:?I/?Φ為無L1時SQUID的原始電流磁通轉換系數。

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

式中:Rd為無L1時SQUID的原始動態電阻。

在低頻工作條件下（ωnL1?R′d（B1），ωnL2?Rs），其中ωn為噪聲頻率，B1支路可等效為一個動態電阻R′d（B1）和一個電流磁通轉換系數為（?I/?Φ）B1的SQUID，則因前端運放噪聲電壓Vn在B2支路引入的噪聲電流in2=，將通過互感M2在SQUID環內耦合一個磁通in2M2，而該磁通在SQUID兩端產生的噪聲電壓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，則SBC可有效抑制前端運放的噪聲，但以Vn＞Vsn或Vn=Vsn為正常工作狀態。

基于FLL工作模式的SQUID讀出電路工作原理是通過SQUID自身的反饋線圈抵消外界磁場的變化，使其工作點始終保持在I-Φ（或V-Φ）曲線中某個靈敏度最高的點附近。傳統SQUID讀出電路多采用磁通調制方式，但本超導磁力儀受益于新型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、帶偏移電壓調節的多級放大器、多功能積分器、正反邊選擇器、測試信號加載器以及集成在SBC上的反饋線圈組成，并通過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

其中調節SBC工作參數的偏置電壓Vbias和偏移電壓Voffset由基于I2C總線的DAC提供；積分器除可通過模擬開關提供兩個不同積分常數（結合反饋電阻，對應兩個不同的量程）外，還提供了TUNE信號輸出（切換成反向放大器）和復位功能；正反邊選擇器則用于將SBC的工作點鎖定在I-Φ曲線的上升沿或下降沿。

1.2超導磁力儀的軟硬件設計

因受目前超導工藝影響，SQUID初始工作參數容易受外界因素影響，尤其在外界磁場波動大時，每次上電均需要通過外部測試信號對TUNE信號進行遍歷以找到最佳的工作點進行鎖定［3］，因此研制的超導磁力儀不但需針對SQUID讀出電路提供高精度的模數轉換功能，還需要提供工作參數調節功能及相應的測試信號。此外，獲取的磁測量信號在上位機應能提供數據顯示、信號處理以及保存等功能。

鑒于研制的超導磁力儀需要經常工作在野外環境下，本文基于環境適應性良好的NI CompactRIO開發平臺構建了一套可通過GPS同步的測控組件，并基于圖形化語言完成了其上位機軟件開發。搭建的新型低溫超導磁力儀的硬件框圖如圖3所示，可見它主要由低溫組件、測控組件以及上位機三部分組成，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，而測控組件則包含用于提供測試信號的DAC模塊、用于數據采集的ADC模塊、用于工作參數調整的RS485模塊以及用于數據同步的GPS接收機［11］，其中GPS接收機可采用獨立的，也可是集成的。

圖3　新型低溫超導磁力儀的硬件框圖

除固化在SBC程控直讀電路中的底層驅動程序外，如圖4所示是新型超導磁力儀的軟件實現框圖，與硬件平臺設計相對應，其采用三層軟件架構設計:FPGA、RT和PC，分別對應在CompactRIO的可重配置機箱、嵌入式實時控制器以及上位機上運行的程序，其中SBC的工作參數以及GPS同步參數均由上位機通過以太網進行設置和監測，并融合生產者消費者程序設計架構來保證系統的實時響應。

圖4　新型超導磁力儀的軟件實現框圖

2　GPS同步實現及相關標定

2.1GPS同步實現及影響因素分析

超導磁力儀在應用時其數據同步不僅僅特指多個超導磁力儀之間的同步，而且還涉及與其他類型傳感器之間的同步，比如光泵的總場信息、組合慣導的定向定位信息以及環境狀態監測信息，因此需要詳細分析影響數據同步的各種因素，從而在基于GPS實現同步時提供技術支撐。

從信號鏈路層次分析，影響超導磁力儀數據同步的主要因素如下:SQUID讀出電路的信號響應延遲、Delta-Sigma類型ADC的信號鏈路延遲、數據采集觸發的準時性以及ADC采樣時鐘的一致性。上述四種影響因素的消除均可通過標定方式獲得解決方案，但ADC采樣時鐘一致性的標定繁瑣而且時效性差，需要從設計上另外解決。

與SQUID讀出電路適配的是基于過采樣技術的Sigma-Delta ADC NI 9239，其工作時鐘頻率高達十幾MHz，從而無法通過GPS信號獲得而必須使用其板載的內部時鐘，這必然導致廣域范圍數據同步時在采集觸發時間和采樣頻率方面出現誤差。為解決以上問題，本文提出了一種基于GPS授時功能和信號重采樣的數據同步解決方案，其GPS同步實現流程如圖5所示。

圖5　基于信號重采樣的GPS同步實現流程

可見，實現GPS同步首先需要通過其PPS （Pulse Per Second）信號和數字鎖相環倍頻生成重采樣時鐘［12-13］；然后根據CompactRIO機箱的FPGA時鐘和NI 9239的板載時鐘對重采樣時鐘進行標定，進而計算出對原始數據重采樣的位置；最后采用從抽樣信號恢復連續時間信號的方式完成原始采集數據的重采樣。

從抽樣信號恢復連續時間信號可通過ADC采集的帶限信號 f（t）的沖激序列抽樣信號 fs（t）與理想低通濾波器h（t）的時域卷積來實現［14］，而信號重采樣則可根據計算獲得的重采樣位置平移濾波器來實現，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之比構成的函數，tr為重采樣位置對應的偏移時間，h（t）為。

鑒于SQUID讀出電路的信號響應延遲會隨其帶寬而變化，故只能通過標定消除，但Delta-Sigma類型ADC的信號鏈路延遲是固定的，可查閱其技術手冊獲取，必要時也可標定，本磁力儀ADC的信號輸入延遲td如式（5）所示。

式中:fs為ADC模塊的采樣頻率。

2.2同步精度標定

2.2.1SQUID讀出電路的信號響應延遲

SQUID讀出電路通常自帶測試功能，用于調整工作參數及標定磁通電壓轉換系數，如圖2所示，其測試信號經電阻分壓后通過反饋線圈耦合到SQUID中（反饋線圈的電感只有幾μH，信號傳輸延遲可忽略），而SQUID讀出電路的信號響應延遲，也可利用此功能來標定，其標定方法如圖6所示。首先在SQUID正常工作后，在其讀出電路的測試（Test）端口加入函數發生器產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或者ADC，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。按照此方法則可逐一標定SQUID讀出電路所有通道的信號響應延遲。

圖6　SQUID讀出電路的信號響應延遲標定方法

2.2.2ADC重采樣后的同步精度

在數據采集時，其同步精度往往受限于ADC采樣時鐘的一致性，而采用基于GPS的重采樣技術則可以很大程度地改善這個問題，但重采樣后的實際同步精度及效果需要標定后才能確定。

在遠距離范圍內基于GPS同步的多個模數轉換模塊可以通過測量同一正弦輸入信號的相位來標定其數據采集及重采樣后的同步精度，其中正弦輸入信號的相位同步性可用同一信號發生器經同等長度的同軸線和三通連接器來保障，如圖7所示是ADC重采樣后的同步精度標定方法。首先，將兩個或多個需要標定的ADC連接至相位同步的同一正弦信號；然后按照正常基于GPS同步的工作流程開始采集并記錄數據及對應的時間戳；最后對比采集數據以獲得所測輸入正弦信號的相位差psyn，并換算成相應的時間信息即可獲得需要的同步精度tsyn，其換算關系見式（6）。式中:Tin為輸入正弦信號的周期。

圖7　ADC重采樣后的同步精度標定方法

在需要標定超導磁力儀與組合慣導定向定位信息的同步精度時，如果忽略組合慣導的PPS信號與定向定位信息的同步誤差，則只需將圖7中信號源輸出的測試正弦信號限定為GPS的PPS信號觸發即可，然后按時間戳在整秒位置計算其相位即可獲得相應的同步精度。

3　試驗設計及驗證

3.1超導磁力儀性能驗證

在完成SQUID磁通電壓轉換系數和磁通磁場轉換系數的標定后［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發生器、動態信號分析儀對超導磁力儀的本底噪聲和靈敏度等性能進行了驗證［15］。首先在杜瓦上繞制一單匝平面線圈，使其位置與測量垂直方向磁場的SQUID器件等高，并與一個精密電阻串聯后再連接至磁屏蔽室外經電阻分壓后的函數發生器；然后將超導磁力儀的模擬輸出由SQUID讀出電路直接連接至動態信號分析儀35670A，其他則維持磁力儀原有的硬件連接關系。

在試驗時，首先按正常流程調整SBC器件的工作參數并鎖定最佳工作點；然后按照畢奧-薩法爾定律利用定制的單匝平面線圈產生指定頻率（310 Hz）和強度（有效值約為7.7 fT）的正弦變化磁場，其中磁場強度計算方法見式（7）。

式中:u0為真空磁導率；I為線圈的電流；R為線圈半徑。

然后使用動態信號分析儀測量SBC讀出電路的輸出，測試值疊加50次后的結果如圖8所示。數據表明試驗用SBC的本底噪聲約為，而加載磁場的測量值是，并按照動態信號分析儀35670A在1.6kHz帶寬下幅值譜與功率密度譜的換算關系可知其磁場強度有效值約為8.6 fT，與計算值基本相符，其誤差主要來源于試驗裝置的標定誤差以及結構誤差，同時也受磁力儀的分辨率限制。

圖8　超導磁力儀的性能測試

3.2電磁兼容評估

SQUID獨一無二的高靈敏度是把雙刃劍，在獲得高靈敏度技術指標的同時，也極大增加了設備的電磁兼容性（EMI）要求。為對超導磁力儀測控組件和低溫組件的電磁兼容進行定性和定量的評估，本文在磁屏蔽室中采用動態信號分析儀分別在室內和室外對干擾源進行定位，并測試其干擾強度。

圖9所示是超導磁力儀測控組件對低溫組件的EMI評估，通過在磁屏蔽室室內和室外測試的數據與SQUID的磁通本底噪聲以功率譜密度的方式進行對比，實驗結果表明數據采集模塊在無屏蔽環境下對SQUID的干擾以輻射為主，其中基于CRIO的測控組件近距離（約1.5 m）時在1 kHz左右的低頻段引入的干擾將SQUID本底噪聲抬高4倍，而經過簡單屏蔽處理后則可與SQUID實現無逢連接。

圖9　磁力儀測控組件對低溫組件的EMI測試

3.3同步精度驗證

在研究超導磁力儀的同步精度時，首先需要知道其具體設計要求。對于超導磁力儀，它的同步精度就其本身而言，僅決定于被測量的擺率及其相關的測量精度，但從系統角度來考慮，因受木桶效應影響，其同步精度要求又受限于其他技術指標，比如設備的線性度、模數轉換器的分辨率。鑒于研制的超導磁力儀動態范圍小于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定方法，在輸入同一正弦測試信號（頻率1 kHz）并不開啟重采樣功能的前提下，采用GPS的PPS信號以時間戳的方式直接觸發兩臺CRIO測控組件的數據采集，從而通過相位對比即可獲得無重采樣的數據同步精度，測試結果如圖10所示。

圖10　無重采樣的數據同步精度

可見其同步精度在60 s后就接近400 μs，并隨時間線性衰減。按照上述實驗方案，在開啟重采樣功能后，即可獲得基于GPS和信號重采樣的數據同步精度，如圖11所示。

圖11　重采樣后的數據同步精度

可見其同步精度優于0.1 μs，滿足設備的設計要求。此外，為獲得GPS信號丟失后的數據同步精度，在測試重采樣后的數據同步精度時，拔掉GPS天線，相應的測試結果即為GPS丟失后重采樣的數據同步精度，如圖12所示，可見其在50 s內仍小于1 μs，其性能因數字鎖相環的存在而遠遠優于無重采樣的數據同步精度。

圖12　GPS丟失后重采樣的數據同步精度

在同步超導磁力儀時，必須考慮SQUID讀出電路的信號響應延遲，按照前面所述標定方法，設定讀出電路的帶寬為10 kHz，并在輸入信號為1 kHz的正弦波時，其測試結果如圖13所示，可見其信號響應延遲的平均值約為29.50 μs，峰峰值為0.2 μs（即波動范圍），從而在磁力儀同步精度的設計要求為1 μs時，只需減去信號響應延遲的平均值，即可忽略其波動值。

圖13　SQUID讀出電路的信號響應延遲

4　結論

本文基于我國具有自主知識產權的SQUID自舉電路，采用簡便的直讀方式構建了一種新型的高精度低溫超導磁力儀，在磁屏蔽室的測試結果顯示其本底噪聲約為，與傳統基于磁通調制讀出電路的超導磁力儀相當，從而可極大地方便SQUID在相關領域的應用推廣。此外，研制的超導磁力儀可基于GPS在硬件層面上通過重采樣技術實現數據實時同步，而且按照文中給出的標定方法獲得的多項試驗結果表明其系統整體同步精度優于1 μs，相對無重采樣其性能有了巨大的提升，并且在GPS信號丟失后仍能在50 s內通過數字鎖相環保證數據的同步精度，從而為超導磁力儀在磁法勘探和航空全張量磁梯度測量等領域中的應用奠定了堅實的基礎。

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伍俊（1983-），男，2007年畢業于北京科技大學，獲得碩士學位，現為中國科學院上海微系統與信息技術研究所高級工程師，主要研究領域是測量控制與信號處理，wujun@mail.sim.ac.cn；

邱隆清（1979-），男，2008年畢業于同濟大學，獲得博士學位，中國科學院上海微系統與信息技術研究所副研究員。目前從事基于超導量子干涉器件的極低場核磁共振及地球物理勘探方面的研究。近年來已在Appl.Phys.Lett.等國內外核心刊物上發表學術論文20余篇，lq.qiu@mail.sim.ac.cn；

孔祥燕（1973-），女，2005年畢業于中國科學院物理研究所，獲得博士學位，2005-2010年日本大阪大學博士后，現為中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究員，2011年入選中科院“百人計劃”，主要從事超導量子干涉器件研制及其應用研究，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

項目來源:國家重大科研裝備研制項目（ZDYZ2012-1）；航空超導全張量磁梯度測量裝置項目（ZDYZ2012-1-02）

2015-04-24修改日期:2015-06-12