時間間隔法

時間間隔法是指以時間作為間隔組織列車運行的辦法。例如當車站一切電話中斷時，雙線區間正方向按規定的時間間隔，連續發出列車的一種特殊行車方法。

國際標準ISO16063-11“激光干涉法振動絕對校準”推薦使用正弦逼近法，利用基於零差正交激光干涉儀(如改進型邁克耳孫干涉儀)或外差激光干涉儀(如馬赫-澤德干涉儀)輸出正交信號的相位解調，實現1Hz～10kHz寬頻帶範圍內振動傳感器幅相特性的絕對校準。多數振動計量技術較先進的國家計量院和一些行業振動校準實驗室，已經按照該國際標準的要求實現了該頻率範圍(或部分範圍)的振動幅相特性精確校準，通頻帶幅值不確定度小於1%，相位移不確定度小於1°(k=2)。然而，對於一些技術相對落後的發展中國家的計量院和國內具有絕對法振動校準裝置的省、市計量技術機構的振動實驗室，由於採用傳統的普通邁克耳孫激光干涉儀和條紋計數法，所以僅能在800Hz頻率範圍以內提供振動傳感器靈敏度幅值信息。

德國物理技術研究院(PTB)加速度實驗室將零差時間間隔法和普通邁克耳孫激光干涉儀相結合，利用VXI總線的高分辨率時間間隔分析儀(50ps)或高速數字化儀(50MSs)，在0.1Hz～1kHz頻率範圍內實現了加速度傳感器幅相特性的精確校準。為了滿足信號解調的要求，其選用的信號採集和數據處理的相關硬件指標優越，但是價格高昂，使得該系統的硬件構架不具備普遍推廣的應用價值。通過對普通邁克耳孫激光干涉儀干涉信號的深入分析，提出了以相對較慢的採樣速率(2MSs)採集干涉信號，利用簡便快速的新算法完成基於過零點時間間隔求解的信號頻率解調、速度波形的復現以及加速度幅值和初相位的最小二乘法求解，從而實現對振動傳感器幅相特性校準的技術方案。採用研究介紹的改進的零差時間間隔算法，可以大大降低對相關硬件指標的要求，從而使基於普通邁克耳孫干涉儀的振動絕對法幅相校準技術在中、低頻段的廣泛應用成為可能。

零差時間間隔法是以單路零差干涉信號同向連續過零點之間的時間間隔作為頻率解調的計算起點。在PTB加速度實驗室，過零點的時間間隔由高分辨率的時間間隔分析儀直接測得；或由高速數字化儀採集的數字信號確定出所有過零點，然後計算得到。為了確定過零點的位置，對每半個週期(波峯～波谷)的所有采樣點或過零點前後各兩個採樣點(共4個)，應用三階多項式擬合。在常用的校準加速度下，當頻率較低時，由於採樣點數目眾多，所以完成這一計算過程往往耗時較大。零差激光干涉儀的測量光束和參考光束頻率相同，依靠發生干涉後光強的變化進行測量，因此，這類干涉儀輸出的電壓信號很容易受到光電噪聲等隨機干擾因素的影響。當振動頻率較低時，輸出的光電調製信號往往出現較為明顯的“毛刺”或“抖動”；即使振動頻率升高，這種現象仍然存在，如圖1所示。圖1(a)為2MS/s的採樣速率(分辨率500ns)採集的振動頻率為1kHz時的干涉信號，由於瞬時振動速度過零反向，干涉信號發生翻轉。由於存在隨機噪聲的影響，干涉信號在過零時發生抖動，在1.5μs內出現三次反覆交叉過零的現象，見圖1(b)。在這種情況下，實際過零點的位置會因為噪聲的影響而發生改變。因此，時間間隔分析儀(分辨率50ps)和高速數字化儀(分辨率20ns)具有的高分辨率硬件指標，已失去了準確確定干涉信號實際過零點位置的作用和意義。

零差時間間隔法是針對邁克耳孫激光干涉儀的輸出信號u(t)進行計算，理想情況下可以表示為：

（1）u(t)=ucos[φ₀+φ_Mcos(ωt+φ_s)]

其中，φ₀為光電接收器信號的初相位，φ_s為位移的初相位，ω為角頻率。φ_M=φ_Mcos(ωt+φs)為調製項。

在t₀0+T_Meas測量時間內，以相同的時間間隔Δt=t_i-t_i-1對光電信號及傳感器輸出信號連續進行同步採樣，將光電信號連續的時間函數變成離散時間序列{u(t_i)}，i=0，1，…，N-1。計算並去除該等間隔離散時間序列的偏移量，得到光電信號新的離散時間序列{u′(t_i)}，i=0，1，…，N-1。然後，用下式判斷所有離散值中兩相鄰採樣點間是否出現過零點：

（2）u′(t_i)u′(t_i+1)≤0

理想情況下，當式（1）中的調製項變化2π時(位移變化λ₂)，光電干涉信號會出現一個正向及一個負向過零點。然而在實際情況中，由於干涉電壓信號受隨機噪聲等電壓干擾因素的影響，可能會出現短時間內反覆交叉過零的現象，如圖1(b)。在這種情況下，必須消除噪聲的影響，確定或保留的過零點。

利用國家中頻振動基準(條紋計數法)已有的邁克耳孫激光干涉儀和其它硬件設備，選用帶有獨立ADC芯片的兩通道同步數據採集卡，實現改進的零差時間間隔法振動幅相特性校準系統的硬件配置。外差高頻振動幅相特性測量系統基於馬赫-澤德干涉儀，其測量原理和軟件算法均不同於前者。選用B&K8305壓電加速度計和B&K2650電荷放大器組成標準加速度計套組，進行上述兩套獨立系統間的比對試驗。

比對數據的評估遵循CCAUV.V-K1國際比對採用的加權平均法。比對試驗中選用的16個測量頻率點和參考加速度幅值與仿真試驗相同，見表1。零差時間間隔法的測量值相對於加權平均參考值的幅相偏差曲線，如圖2所示。在比對試驗的測量頻率範圍，外差系統及改進的零差時間間隔法系統的靈敏度幅值和相移測量不確定度(k=2)分別為：0.5%，0.5°；0.5%，1°。因此，零差時間間隔法系統測量結果相對於加權平均參考值的等效靈敏度幅值及相移測量不確定度分別為0.35%和0.9°(k=2)，見圖2(a)和(b)中的上下限直線。需要説明的是，上述頻率範圍內，外差系統的測量不確定度已經通過與PTB振動標準的多種比對試驗驗證，指標完全可以信賴。

由比對試驗的結果可見，除50Hz外，幅相偏差曲線的所有測量點都在等效不確定度的上下限範圍之內，説明零差時間間隔法達到了預期的不確定度，滿足相關國際標準的不確定度要求。振動頻率為50Hz時，由於受工頻信號的干擾，相對於加權平均參考值的靈敏度幅相偏差較大，分別為-0.37%和-0.58°。其中靈敏度幅值偏差超過等效不確定度下限。

(1)研究針對傳統零差時間間隔法在實際軟硬件實現中存在的不足及其原因進行了深入的分析，進而提出了簡化的零差時間間隔法，實現了中、低頻帶範圍內振動傳感器幅相特性的精確測量，達到或優於相關國際標準的不確定度指標要求。

(2)基於該方法的校準系統可採用PCI總線的雙通道同步數據採集卡及高檔微機的虛擬儀器架構，取代昂貴複雜的VXI總線時間間隔分析儀或高速數字化儀，具有通用、經濟，性價比高的優點。

(3)改進的零差時間間隔法，軟件算法簡捷高效，對數據採集卡硬件配置的要求低，具有較大的推廣應用價值。對於發展中國家的計量院和國內具有絕對法振動校準裝置的省、市計量技術機構的振動實驗室，採用該方法與傳統條紋計數法測量系統相結合，實現常用頻段振動傳感器幅相特性的準確測量，具有一定的指導意義。 ^[1] 

隨着空間探測技術的發展，空間的等離子體成分探測顯得越來越重要，尤其對正在進行的深空探測，如探月計劃。而空間等離子成分探測最主要的方法就是飛行時間法，既通過測量粒子飛過一定距離所需要的時間來鑑別粒子成分。 ^[2] 

國外在等離子體成分探測方面技術已經很成熟，如1984年AMPTE/IRM上的超熱離子電荷分析器；1996年FAST上的飛行時間法能量角質譜儀(TEAMS)，ClusterⅡ上的離子成分和分佈函數分析器(CODIF)。然而在國內，該技術還剛剛處於起步階段，存在很多難點，其中最關鍵的就是：快電子學技術，也就是説如何用電子學的方法測量出起始脈衝和停止脈衝之間的時間間隔，既粒子的飛行時間，約為納秒量級，將是整個等離子成分探測器的關鍵。也是國內離子成分探測中所面臨的難題，為了能夠探索出一種測量這種納秒量級時間間隔的方法，首先必須模擬出來這種納秒量級的時間信號，從而找出一種測量該時間間隔的最好方法。將主要研究基於飛行時間法的納秒量級時間間隔測量技術。

納秒量級時間間隔測量系統由CPU模塊、時間間隔測量模塊、數據傳輸模塊三部分組成，其邏輯框圖如圖3所示。

其中CPU模塊主要功能是模擬納秒量級脈衝信號、接收時間間隔測量模塊的數據、FIFO緩存、發送數據到數據傳輸模塊、控制數據傳輸模塊的時序，是整個測量系統的前提和控制中心。時間間隔測量模塊主要用來測量納秒量級的時間間隔，同時把時間信號轉換為數字信號。數據傳輸模塊接收數據，並進行數據處理，同時將數據傳輸到PC機。PC機用來存儲數據，同時發送指令到數據傳輸模塊。

1）CPU模塊

該模塊主要是由FPGA芯片、電源轉換電路、時鐘模塊及配置電路組成。其中最主要的部分為FPGA芯片，它是整個CPU模塊的核心。CPU模塊的主要功能：

(1)模擬納秒量級脈衝信號。利用現有的技術方法模擬出來，時間間隔為納秒量級的脈衝信號，為驗證後續測量系統做準備。

(2)接收時間間隔測量模塊的數據，將時間間隔測量模塊數據存儲到內部FIFO。

(3)FIFO緩存、發送數據到數據傳輸模塊。利用FPGA內部的邏輯門，通過編程實現2個4kB的FIFO，用於緩存數據，同時將數據發送到數據傳輸模塊。

(4)控制測量模塊和數據傳輸模塊的時序。作為整個測量系統的控制中心，為後續的測量模塊和數據傳輸模塊提供時序控制和讀、寫方式等。其中模擬納秒量級脈衝信號是整個CPU模塊的關鍵，利用DCM(數字時鐘管理器，DigitalClockManager)模塊將時鐘信號倍頻到300MHz左右，通過計數的方法來產生起始脈衝和停止脈衝，從而產生納秒量級的時間間隔信號。

2）時間間隔測量模塊

時間間隔測量系統是整個電子學系統的關鍵。它的性能的好壞直接決定着時間間隔測量系統的精度。本測量方案選用了德國ACAM公司的高精度時間間隔測量芯片TDC-GP1。該芯片採用44引腳TQFP封裝，具有TDC測量單元、16位算術邏輯單元、RLC測量單元及與8位處理器的接口單元4個主要功能模塊。其性能指標如下：

①雙通道，250ps的分辨率或者單通道125ps的分辨率。

②每個通道可進行四次採樣，排序則可達8次採樣。

③兩個通道的分辨率完全相同，雙脈衝分辨率大約為15ns。

④有兩個測量範圍:3ns～7.6μs;60ns～200ms(有前置配器，只使用於單通道)。

⑤雙通道的8個事件可以一個一個的任意測量，沒有最小時間間隔限制。

⑥分辨率調整模式:通過軟件對分辨率進行石英準確性調整。

⑦有四個端口用來測量電阻、電容和電感。測量輸入的邊緣靈敏性是可調的。

⑧有效的內置16位運算器，測量結果可以被校準或者乘以一個24位的整數。

⑨運算器用於計算的時間是獨立於外部時鐘的，整個校準和乘法的時間大約為4μs。

⑩內部最多可存儲4個校準值或者8個非校準測量值。

校準和控制時鐘頻率為500kHz～35MHz(高於100MHz將用到內部的前置配器)。工業温度範圍為-40～+85℃；工作電壓：2.7～5.5V；低功耗，可用電池驅動。

由於整個電路系統產生和測量的是納秒量級的脈衝信號，對於如此高頻率的信號，很容易受外部信號的干擾，因此在電路板的製作過程中，如何來屏蔽外部干擾信號，提高抗干擾能力，是一個急需解決的問題，這對整個測量系統的準確性有着非常重要的意義。另一個問題就是整個測量系統的核心器件TDC-GP1的温度範圍只有-40～+85℃，是否能夠經受得起惡劣的空間環境考驗，只有通過老化實驗和環境模擬試驗驗證，才能進一步應用到空間探測中。

通過實驗證明，該測量系統測量範圍為3.5ns～7.2μs，測量誤差在允許範圍之內，其主要性能指標能滿足測量要求，具有一定的實用價值。由於電路中有納秒量級的高頻信號，因此在後續的電路設計中，將進一步提高抗干擾能力。以滿足我國深空探測中等離子成分探測的需要。 ^[3]