国外计量1991年第3期信号测量系统的高准确度同时校准BenKSternberg等飞前言本文用地球物理学勘测的例子来阐明高准确度同时校准方法,但其应用范围决不仅限于地球物理学。在需准确测量重复信号及表征随时间而变的记录系统特性的各种科学和工程应用中,它将是有价值的。2高准确度同时校准方法为实现高准确度同时校谁或称HA5cAL方法,我们将一精确已知的重复信号(校准信号)与被测量的重复信号(数据信号)一起送人信号测量系统。产生的时域信号是校准信号与数据信号在校准信号周期上的直接相加,且以此周期重复。一般来说,校准信号会干扰数据信号,反之亦然。然而,本方法是使用校准信号的离散博里叶频谱与数据信号的博里叶频谱相互交错且不相互干扰的一组信号。实际上是利用两个选择合适基频的重复方波来获得相互交错互不干扰的频谱。时间序列的离散博里叶变换为:N一1G`__g(kT)exp(一\\刊生=l’乙jZonk/N)k=0n=0,1,一,N一1式中时间和频率均有N个取样点;qk(’1)是取样时间函数;Gn(/NT)是取样频率函数;T是时间取样间隔。对一重复频率为f。的方波,只在零频率、基频频率(f。)和奇次i皆波处有谱分量:0,f。,3f。,sf。,7f。,…图1示出两个重复方波的离散博里叶频谱。本例中,所选校准信号基频频率(f。)为数据信号基频频率2(f。)的二分之一。如图l所示,校准和数据信号具有错开而互不干扰的频谱。图2给出了数据处理流程图。由于准确已知校准信号的特性,因此也就知道了其理想的离散博里叶变换。用理想的校准信号复谱函数除实际测量出的校准信号的复谱函数,来确定校准频率上测量系统的复频响应。假定是一个平滑可变系统响应函数,然后将校堆信号频率上的复数系统响应函数插入数据信号频率上的待测响应函数中。接下来我们用复数系统响应函数(即:除以各自幅度并减去各自的相位)除复数数据信号谱,一以从数据信号谱中消除插入的响应函数。如果需要对数据信号进行时域分析,修正后的数据谱为博里叶逆变换。对数据信号我们使用了一个简单的内插多项式。对于已知滤波响应类型的系统,如果必要的话,也可采用更为复杂的内插函数。图1中的理想方波数据信号分量f2。,f6。,10f。等。在较普遍的情况下,数据波形以频率Zf。重复,而其它随机离散谱分量为f2。,f4。,f8。,1叮。等。由于这些附加的分量仍然不干扰校准信号分量,因而此方法仍然有效。然而,必须保持校准信号与数据信号间的正确频率关系,以避免数据谱能量对校堆频谱的泄漏。我们用计算机模拟校准方法来测试所需的严谨性。在模拟中,校准信号和数据信号是单位幅度的方波;校堆信号重复周期为1024m,,数据信号周期为512ms。我们在一个校淮周期内利用表1中标有“延迟”的可变量延迟了第二个数据方波的出现。这种精密周期数的偏移引起校准谱的泄漏。把模拟的结果作为一个延迟的函数表示成校堆信号的谐波百分比误差。显然,数据波的周期内即便存在较小的误差也会降低方法的精确度。因此一定要注意保证数据信号的基频频率准确的f2。。实际上,可以用一个与钟控校堆器同步的精确时钟控制数据信号源就可达到此目的。注意在数据波形中一确定的时间移动(与数据波形的周期性误差相反)只引起频域里的相移而不会使谱渗漏到校准信号里。表1卜.如.....口...,`..延迟颇率8ms.35I.s.zl,.ofIoI0ZJ1加674湘308`内0.,的e匀7502加舫41。02的033高精度同时校准用于电法地球物理学i奇精度电场和磁场数据可以用来改善地球地质结构图的绘制。理论上讲,如果可以在地球表面的所有点和所有频率上获得任意精确度数据,我们就能极好的确定大地的电阻率分布。我们期望尽可能使用最高测量准确度来实现这一理想的目标。图3和图4示出用于受控源电磁地球物理勘测的高准确度同时校准方法。校准的极限准确度依赖于所用校准器的准确度。图3示出用于电磁探侧系统中的校准器。时钟为一标准锄原子束振荡器,该钟可以在长时间(大约一个月)保持1火01一”的频率堆确度。时钟的输出与含有二进制和十进制计数芯片的分频器相联接。01MH:时钟输出分频为电磁探测实验(010至250Hz基频方波)所需的频率。此外,铆钟控制了接收器信号的平均间隔。来自分频器的低频信号再被送至(通过一光频隔离器)一个16比特数一模转换器的最高有效位上。因此,时钟交替变换数一模转换器输出的符号。由十六路激励器和旋转开关组成的电压选择器控制数一模转换器的其余15路。换而言之,时钟以精确的同步时间开关DAC(具有钟的精确度),并且有由61位开关所设置的精密电压电平(具有16比特DAC的分辨率)。数一模转换器输出通过缓冲器到一个电流激励放大器(上部)、一个具有100Q电阻分流网络的放大器(中部)及一个具有1000Q电阻分流网络的放大器(下部)。电流激励放大器提供高达ZA的输出,并供给校淮磁强仪的校准线圈。10倍的分压网络提供毫伏级的电压输出,用以校准电流监控器。10000倍分压网络提供微伏级电压,用以校准电场接收器。这些放大器是低噪声、高线性度、高变化率和低漂移(增益和偏置)的运算放大器。虚线所包含的校准器部分。是装在一个绝缘盒中盒中温度控制在士05℃之内。输出放大器的增益微调电阻用于使校准器产生的直流输出与高精度的实验室数字万用表相匹配。因此校准器提供一个电压输出幅度谁确度优于0005%和电流输出幅度准确度优于延时小于小于4的方波“。。整个校准器电压输出总时间,与校准电场相同的方法来校堆这个接收器4)。(图将之转换成相移在25z0H2时将d。在应用HASCAL方法处理接收器的数据在1s,6mard。电流输出的总时间延迟小于6之后流,1~gH:的五个谐波频率上重建平均2u换算成25oH的相移则小于,6m。ra5%和误差为o范围为00(图sb)。。3mrad的初始输人电在频率较低时确度相位变化也相应较低。这些精,该试验不能代表用HASCAL方法该系统的准确度在(绝对精确度)完全由环境条件所决定可获得的极限准确度这恰巧与地球物理场情况很相似图用。4介绍了电学法勘测系统中校堆器的应。图的上半部示出的校准器带有用来记录发001。精密射信号的电流监测器我们在一个0分流电阻品。(土001肠)上获取发射电流的样来自分流器的信号器连接到经过校谁的放。大器和滤波器上器产生,。校准信号由一个高精度校准(在校准器内通过一个高精度电阻部)注入上。这个电阻串接在接收器的输入线,,。由电阻注入的信号在有校淮器的情况下使正常的测量不会受到影响计算机中。数字转换器的输出送到一个可完成高精度同时校准计算的便携我们用与图4左下方电流监测器相似的方。法校准电场传感器一个串联电阻接在输入线。端的电极之一并通过电阻注入信号图的应用4。右下方示出带有低温磁强计的校准器我们用校堆仪的高准确度电流激励器。激励校准环该校准环具有精确已知的尺寸。,并位于距磁强计经精确测量的距离上我们确立下列受控实验电流输出,为检查整个系统校准所能获得的准确度(图a5):,用校准器的。电流输出得到高精度电阻的端电压。由于是用、所以这类似于磁强计的校准中所含然后,的不确定度用接收系统(放大器滤用波器和数字变换器)测量电阻两端的电压。零之后,,相对于极限零偏差,最大正负偏差的(归算至零之前)代数和差值确定了两侧被测绝对值的代数和表示三个被测面的直线度偏差13面的平行度偏差No。(郑思义译自“MaNom。二oe:Po。:e:、\"19板块和上下成对的记录仪的极限偏差12,32,1990,l,17~18)1页上接第6说。,场数据是与电流监测器的期望准确度极限大约淮,05%0,这是受校准器内所用特殊电子线为磁强计的校。。和电场每0005%的校准相一致的今后的发展,。路的电流输出准确度决定的图图6将着重于开发这些精度非常高的测量方法获得一个高清晰度地球图像4以我们需降低电流输出的准确度(略)。。示出该系统的一组取样数据。该例子来自地磁接收站和地线源7可选的方案是一套地球电场探测的完整数据约0。记校准信号和数据信号选择为重复的方波是因为这样容易产生高电流方波含衰减慢的奇次谱波的函数波数行。。。。录了从大地球大约基波频率相重迭。1一10H2的频率范围。,对应穿透方波的频谱包1100来至数千米的厚度发射了五种,例如为/(谐波数)每一个基波的谐波均与下一个基频可按照信噪比的要求分析比较大的谐各组数据间的重复性和不同基频的频1写量级0。此校谁方法也能用其它的重复波形来进率重迭范围的一致性为0换句话基领谷校准信号和数据信号频率混合能提供频率。一.àǎ一召(任)1任8VA户曰八曰乃U几叹óq产JgJ031215卜决参差和无千扰线谱校准基频是方便的选择。。选择数据基频的一半做为但这一方法不局限于这种0王2O5争l之之。骤协理如补口四c。口。0SHHO208乙z鑫一弃裔么颁t)件12(参考文献略)(周雪芬译自199D1,,“MeasseiTe”hnol”率(日,NO3,225~230)图7高精度同讨校准方法经数据处理的电法地球物理探测曲线编担者:必国外计量》编辑部出印订版阅者刷处价::国家技术监督情报研究所北京市大郊亭印刷厂国家技监督情报所发行科3(北京市和平里西街甲2号):吴再丰国内统一刊号~国创..只::CNl一1987定50元一~训..~.姗~口~一一封面设计:赵松年一9年5月25日飞。工出一版一
