基于GPS同步的新型低温超导磁力仪*

伍　俊，邱隆清，孔祥燕，荣亮亮，谢晓明

（中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050）

基于GPS同步的新型低温超导磁力仪*

伍俊*，邱隆清，孔祥燕，荣亮亮，谢晓明

（中国科学院上海微系统与信息技术研究所，上海200050）

针对地球物理勘探中高精度磁场测量以及远距离数据同步的需求，本文基于低温超导量子干涉仪和图形化系统开发平台构建了一种可通过GPS同步的新型磁力仪，并可采用简便的直读方式进行磁场测量。首先介绍了新型低温超导磁力仪的工作原理，并重点阐述了由其程控直读电路以及软硬件设计方案；然后在分析影响超导磁力仪数据同步因素的基础上，给出了GPS同步实现及其同步精度标定的方法；最后在良好的磁屏蔽环境中对超导磁力仪的性能以及电磁兼容进行了评估，并对影响其同步的相关因素进行了测试和标定，试验表明传感器的本底噪声约为，数据同步精度可达1 μs，满足实用要求。

磁力仪；GPS同步；超导量子干涉仪；磁场测量；直读电路

磁力仪是指可测量磁场强度和方向的仪器，现广泛应用于地球物理勘探领域，而且是很多物探设备的核心测量组件，比如大地电磁法、可控源音频大地电磁法、瞬变电磁法以及航空全张量磁梯度法。目前我国未探明的矿产资源基本分布在深部矿或隐伏矿中，为提高物探中常用磁法探测的深度和精确度，采用性能优异的磁传感器或组件无疑是最理想的解决方案［1-2］。

超导量子干涉仪（Superconducting QUantum Interference Device）是目前世界上已知最灵敏的磁测量传感器［3］，研制由其构建的磁力仪则可显著提升物探磁测技术水平，进而提升地球深部资源信息的获取能力，但在实际应用时需要极低噪声的读出电路与其匹配，而通常匹配是通过变压器和磁通调制间接完成的［4］，使用时十分不方便，因此研制可直读的超导磁力仪具有非常重要的实用价值。

将超导磁力仪应用于大地电磁法或瞬变电磁法时，如果引入远程参考端，则它们存在一个共同的测试需求:多通道远距离同步采集［5-6］；将超导磁力仪应用于航空全张量磁梯度时，磁测量信号则必须与组合惯导数据同步后进行姿态投影以保证数据的有效性［7］。由此可见，为满足这些测试需求，基于GPS同步则是唯一且现实的解决方案。

1　超导磁力仪的工作原理及实现

1.1新型SQUID及其读出电路

SQUID是基于约瑟夫森结构建的磁通电压转换器，虽然有着无可媲美的磁场灵敏度，但其I-Φ（或V-Φ）特性并不是线性的，需要在噪声匹配后通过磁通锁定环（Flux Lock Loop，简称FLL）线性化以达到实用化的目的［3］。为克服传统dc SQUID读出电路采用磁通调制方式进行噪声匹配所带来的问题，中科院上海微系统所与德国于利希研究中心合作研究并开发出一种新型的SQUID自举电路（SQUID Bootstrap Circuit，简称SBC）［8-9］。

图1所示为工作在电压偏置模式下的可直读SBC，可见它主要由两条支路B1和B2组成，其中由SQUID和电感L1（两者互感为M1）构成的支路B1用于增加SQUID的电流磁通转换系数∂I/∂Φ；而由电感L2和电阻Rs（L2与SQUID互感为M2）构成的支路B2则用于提高SQUID的动态电阻。通过以上两条支路即可提高电压磁通传输系数∂V/∂Φ来抑制前置运算放大器噪声的贡献，并实现噪声匹配。

图1　工作在电压偏置下的可直读SQUID自举电路

了解SBC的具体工作原理需要详细分析这两条支路。首先在假定L1和L2之间不存在互感的前提下单独分析B1支路的作用。由于互感M1的存在，流经B1支路的电流in1将在SQUID环内产生一个额外的磁通in1M1，并导致SQUID的IΦ（电压工作模式）特性曲线出现不对称，其变化后的电流磁通转换系数（∂I/∂Φ ）B1如式（1）所示。

式中:∂I/∂Φ为无L1时SQUID的原始电流磁通转换系数。

虽然B1支路能增加I-Φ特性曲线中陡边的电流磁通转换系数，但因其动态电阻Rd［1-M1（∂I/∂Φ）］也发生变化，故从式（2）可获知B1支路的电压磁通转换系数（∂V/∂Φ）B1保持不变，即无法抑制前端运算放大器的噪声。

式中:Rd为无L1时SQUID的原始动态电阻。

在低频工作条件下（ωnL1≪R′d（B1），ωnL2≪Rs），其中ωn为噪声频率，B1支路可等效为一个动态电阻R′d（B1）和一个电流磁通转换系数为（∂I/∂Φ）B1的SQUID，则因前端运放噪声电压Vn在B2支路引入的噪声电流in2=，将通过互感M2在SQUID环内耦合一个磁通in2M2，而该磁通在SQUID两端产生的噪声电压Vsn如式（3）所示。

综合考虑B1和B2支路，可知在Vn和Vsn极性相同时，则SBC可有效抑制前端运放的噪声，但以Vn＞Vsn或Vn=Vsn为正常工作状态。

基于FLL工作模式的SQUID读出电路工作原理是通过SQUID自身的反馈线圈抵消外界磁场的变化，使其工作点始终保持在I-Φ（或V-Φ）曲线中某个灵敏度最高的点附近。传统SQUID读出电路多采用磁通调制方式，但本超导磁力仪受益于新型SQUID自举电路而可以采用基于FLL的直读方式［10］，极大地降低了应用的难度。

研制的SBC程控直读电路FLL前端采用电压偏置工作模式，其模拟电路主要由前端放大器、带偏移电压调节的多级放大器、多功能积分器、正反边选择器、测试信号加载器以及集成在SBC上的反馈线圈组成，并通过电压跟随器缓冲输出，其电路原理图如图2所示。

图2　FLL前端模拟电路的原理图

其中调节SBC工作参数的偏置电压Vbias和偏移电压Voffset由基于I2C总线的DAC提供；积分器除可通过模拟开关提供两个不同积分常数（结合反馈电阻，对应两个不同的量程）外，还提供了TUNE信号输出（切换成反向放大器）和复位功能；正反边选择器则用于将SBC的工作点锁定在I-Φ曲线的上升沿或下降沿。

1.2超导磁力仪的软硬件设计

因受目前超导工艺影响，SQUID初始工作参数容易受外界因素影响，尤其在外界磁场波动大时，每次上电均需要通过外部测试信号对TUNE信号进行遍历以找到最佳的工作点进行锁定［3］，因此研制的超导磁力仪不但需针对SQUID读出电路提供高精度的模数转换功能，还需要提供工作参数调节功能及相应的测试信号。此外，获取的磁测量信号在上位机应能提供数据显示、信号处理以及保存等功能。

鉴于研制的超导磁力仪需要经常工作在野外环境下，本文基于环境适应性良好的NI CompactRIO开发平台构建了一套可通过GPS同步的测控组件，并基于图形化语言完成了其上位机软件开发。搭建的新型低温超导磁力仪的硬件框图如图3所示，可见它主要由低温组件、测控组件以及上位机三部分组成，其中低温组件主要包含装载液氦的杜瓦、SBC以及其多通道程控直读电路，而测控组件则包含用于提供测试信号的DAC模块、用于数据采集的ADC模块、用于工作参数调整的RS485模块以及用于数据同步的GPS接收机［11］，其中GPS接收机可采用独立的，也可是集成的。

图3　新型低温超导磁力仪的硬件框图

除固化在SBC程控直读电路中的底层驱动程序外，如图4所示是新型超导磁力仪的软件实现框图，与硬件平台设计相对应，其采用三层软件架构设计:FPGA、RT和PC，分别对应在CompactRIO的可重配置机箱、嵌入式实时控制器以及上位机上运行的程序，其中SBC的工作参数以及GPS同步参数均由上位机通过以太网进行设置和监测，并融合生产者消费者程序设计架构来保证系统的实时响应。

图4　新型超导磁力仪的软件实现框图

2　GPS同步实现及相关标定

2.1GPS同步实现及影响因素分析

超导磁力仪在应用时其数据同步不仅仅特指多个超导磁力仪之间的同步，而且还涉及与其他类型传感器之间的同步，比如光泵的总场信息、组合惯导的定向定位信息以及环境状态监测信息，因此需要详细分析影响数据同步的各种因素，从而在基于GPS实现同步时提供技术支撑。

从信号链路层次分析，影响超导磁力仪数据同步的主要因素如下:SQUID读出电路的信号响应延迟、Delta-Sigma类型ADC的信号链路延迟、数据采集触发的准时性以及ADC采样时钟的一致性。上述四种影响因素的消除均可通过标定方式获得解决方案，但ADC采样时钟一致性的标定繁琐而且时效性差，需要从设计上另外解决。

与SQUID读出电路适配的是基于过采样技术的Sigma-Delta ADC NI 9239，其工作时钟频率高达十几MHz，从而无法通过GPS信号获得而必须使用其板载的内部时钟，这必然导致广域范围数据同步时在采集触发时间和采样频率方面出现误差。为解决以上问题，本文提出了一种基于GPS授时功能和信号重采样的数据同步解决方案，其GPS同步实现流程如图5所示。

图5　基于信号重采样的GPS同步实现流程

可见，实现GPS同步首先需要通过其PPS （Pulse Per Second）信号和数字锁相环倍频生成重采样时钟［12-13］；然后根据CompactRIO机箱的FPGA时钟和NI 9239的板载时钟对重采样时钟进行标定，进而计算出对原始数据重采样的位置；最后采用从抽样信号恢复连续时间信号的方式完成原始采集数据的重采样。

从抽样信号恢复连续时间信号可通过ADC采集的带限信号 f（t）的冲激序列抽样信号 fs（t）与理想低通滤波器h（t）的时域卷积来实现［14］，而信号重采样则可根据计算获得的重采样位置平移滤波器来实现，如式（4）所示。

式中:Ts为冲激抽样序列的周期，ωc为滤波器的截止频率，Sa（t）为sint与t之比构成的函数，tr为重采样位置对应的偏移时间，h（t）为。

鉴于SQUID读出电路的信号响应延迟会随其带宽而变化，故只能通过标定消除，但Delta-Sigma类型ADC的信号链路延迟是固定的，可查阅其技术手册获取，必要时也可标定，本磁力仪ADC的信号输入延迟td如式（5）所示。

式中:fs为ADC模块的采样频率。

2.2同步精度标定

2.2.1SQUID读出电路的信号响应延迟

SQUID读出电路通常自带测试功能，用于调整工作参数及标定磁通电压转换系数，如图2所示，其测试信号经电阻分压后通过反馈线圈耦合到SQUID中（反馈线圈的电感只有几μH，信号传输延迟可忽略），而SQUID读出电路的信号响应延迟，也可利用此功能来标定，其标定方法如图6所示。首先在SQUID正常工作后，在其读出电路的测试（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或者ADC，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。按照此方法则可逐一标定SQUID读出电路所有通道的信号响应延迟。

图6　SQUID读出电路的信号响应延迟标定方法

2.2.2ADC重采样后的同步精度

在数据采集时，其同步精度往往受限于ADC采样时钟的一致性，而采用基于GPS的重采样技术则可以很大程度地改善这个问题，但重采样后的实际同步精度及效果需要标定后才能确定。

在远距离范围内基于GPS同步的多个模数转换模块可以通过测量同一正弦输入信号的相位来标定其数据采集及重采样后的同步精度，其中正弦输入信号的相位同步性可用同一信号发生器经同等长度的同轴线和三通连接器来保障，如图7所示是ADC重采样后的同步精度标定方法。首先，将两个或多个需要标定的ADC连接至相位同步的同一正弦信号；然后按照正常基于GPS同步的工作流程开始采集并记录数据及对应的时间戳；最后对比采集数据以获得所测输入正弦信号的相位差psyn，并换算成相应的时间信息即可获得需要的同步精度tsyn，其换算关系见式（6）。式中:Tin为输入正弦信号的周期。

图7　ADC重采样后的同步精度标定方法

在需要标定超导磁力仪与组合惯导定向定位信息的同步精度时，如果忽略组合惯导的PPS信号与定向定位信息的同步误差，则只需将图7中信号源输出的测试正弦信号限定为GPS的PPS信号触发即可，然后按时间戳在整秒位置计算其相位即可获得相应的同步精度。

3　试验设计及验证

3.1超导磁力仪性能验证

在完成SQUID磁通电压转换系数和磁通磁场转换系数的标定后［3］，本文在磁屏蔽室中利用定制的单匝平面线圈以及安捷伦的函数发生器、动态信号分析仪对超导磁力仪的本底噪声和灵敏度等性能进行了验证［15］。首先在杜瓦上绕制一单匝平面线圈，使其位置与测量垂直方向磁场的SQUID器件等高，并与一个精密电阻串联后再连接至磁屏蔽室外经电阻分压后的函数发生器；然后将超导磁力仪的模拟输出由SQUID读出电路直接连接至动态信号分析仪35670A，其他则维持磁力仪原有的硬件连接关系。

在试验时，首先按正常流程调整SBC器件的工作参数并锁定最佳工作点；然后按照毕奥-萨法尔定律利用定制的单匝平面线圈产生指定频率（310 Hz）和强度（有效值约为7.7 fT）的正弦变化磁场，其中磁场强度计算方法见式（7）。

式中:u0为真空磁导率；I为线圈的电流；R为线圈半径。

然后使用动态信号分析仪测量SBC读出电路的输出，测试值叠加50次后的结果如图8所示。数据表明试验用SBC的本底噪声约为，而加载磁场的测量值是，并按照动态信号分析仪35670A在1.6kHz带宽下幅值谱与功率密度谱的换算关系可知其磁场强度有效值约为8.6 fT，与计算值基本相符，其误差主要来源于试验装置的标定误差以及结构误差，同时也受磁力仪的分辨率限制。

图8　超导磁力仪的性能测试

3.2电磁兼容评估

SQUID独一无二的高灵敏度是把双刃剑，在获得高灵敏度技术指标的同时，也极大增加了设备的电磁兼容性（EMI）要求。为对超导磁力仪测控组件和低温组件的电磁兼容进行定性和定量的评估，本文在磁屏蔽室中采用动态信号分析仪分别在室内和室外对干扰源进行定位，并测试其干扰强度。

图9所示是超导磁力仪测控组件对低温组件的EMI评估，通过在磁屏蔽室室内和室外测试的数据与SQUID的磁通本底噪声以功率谱密度的方式进行对比，实验结果表明数据采集模块在无屏蔽环境下对SQUID的干扰以辐射为主，其中基于CRIO的测控组件近距离（约1.5 m）时在1 kHz左右的低频段引入的干扰将SQUID本底噪声抬高4倍，而经过简单屏蔽处理后则可与SQUID实现无逢连接。

图9　磁力仪测控组件对低温组件的EMI测试

3.3同步精度验证

在研究超导磁力仪的同步精度时，首先需要知道其具体设计要求。对于超导磁力仪，它的同步精度就其本身而言，仅决定于被测量的摆率及其相关的测量精度，但从系统角度来考虑，因受木桶效应影响，其同步精度要求又受限于其他技术指标，比如设备的线性度、模数转换器的分辨率。鉴于研制的超导磁力仪动态范围小于120 dB，而且其线性度大于10-5，故磁力仪的同步精度保证1 μs以下即可。

为对比重采样前后的同步精度，按照前面所述ADC重采样后同步精度的标定方法，在输入同一正弦测试信号（频率1 kHz）并不开启重采样功能的前提下，采用GPS的PPS信号以时间戳的方式直接触发两台CRIO测控组件的数据采集，从而通过相位对比即可获得无重采样的数据同步精度，测试结果如图10所示。

图10　无重采样的数据同步精度

可见其同步精度在60 s后就接近400 μs，并随时间线性衰减。按照上述实验方案，在开启重采样功能后，即可获得基于GPS和信号重采样的数据同步精度，如图11所示。

图11　重采样后的数据同步精度

可见其同步精度优于0.1 μs，满足设备的设计要求。此外，为获得GPS信号丢失后的数据同步精度，在测试重采样后的数据同步精度时，拔掉GPS天线，相应的测试结果即为GPS丢失后重采样的数据同步精度，如图12所示，可见其在50 s内仍小于1 μs，其性能因数字锁相环的存在而远远优于无重采样的数据同步精度。

图12　GPS丢失后重采样的数据同步精度

在同步超导磁力仪时，必须考虑SQUID读出电路的信号响应延迟，按照前面所述标定方法，设定读出电路的带宽为10 kHz，并在输入信号为1 kHz的正弦波时，其测试结果如图13所示，可见其信号响应延迟的平均值约为29.50 μs，峰峰值为0.2 μs（即波动范围），从而在磁力仪同步精度的设计要求为1 μs时，只需减去信号响应延迟的平均值，即可忽略其波动值。

图13　SQUID读出电路的信号响应延迟

4　结论

本文基于我国具有自主知识产权的SQUID自举电路，采用简便的直读方式构建了一种新型的高精度低温超导磁力仪，在磁屏蔽室的测试结果显示其本底噪声约为，与传统基于磁通调制读出电路的超导磁力仪相当，从而可极大地方便SQUID在相关领域的应用推广。此外，研制的超导磁力仪可基于GPS在硬件层面上通过重采样技术实现数据实时同步，而且按照文中给出的标定方法获得的多项试验结果表明其系统整体同步精度优于1 μs，相对无重采样其性能有了巨大的提升，并且在GPS信号丢失后仍能在50 s内通过数字锁相环保证数据的同步精度，从而为超导磁力仪在磁法勘探和航空全张量磁梯度测量等领域中的应用奠定了坚实的基础。

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伍俊（1983-），男，2007年毕业于北京科技大学，获得硕士学位，现为中国科学院上海微系统与信息技术研究所高级工程师，主要研究领域是测量控制与信号处理，wujun@mail.sim.ac.cn；

邱隆清（1979-），男，2008年毕业于同济大学，获得博士学位，中国科学院上海微系统与信息技术研究所副研究员。目前从事基于超导量子干涉器件的极低场核磁共振及地球物理勘探方面的研究。近年来已在Appl.Phys.Lett.等国内外核心刊物上发表学术论文20余篇，lq.qiu@mail.sim.ac.cn；

孔祥燕（1973-），女，2005年毕业于中国科学院物理研究所，获得博士学位，2005-2010年日本大阪大学博士后，现为中国科学院上海微系统与信息技术研究所研究员，2011年入选中科院“百人计划”，主要从事超导量子干涉器件研制及其应用研究，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

项目来源:国家重大科研装备研制项目（ZDYZ2012-1）；航空超导全张量磁梯度测量装置项目（ZDYZ2012-1-02）

2015-04-24修改日期:2015-06-12