申请/专利权人：山东航天电子技术研究所

申请日：2018-06-21

公开（公告）日：2020-07-28

公开（公告）号：CN109100664B

主分类号：G01R33/02(20060101)

分类号：G01R33/02(20060101);G01V3/40(20060101);G01R33/00(20060101);G01R33/06(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.28#授权;2019.01.22#实质审查的生效;2018.12.28#公开

摘要：本发明公开了一种空间小磁场的测量方法，在空间待测小磁场方向依次产生三个以上强度已知的均匀强磁场，所述强度为磁干扰场强度的30倍以上；通过光泵磁力仪测量每次叠加后的空间总磁场值，所述光泵磁力仪轴线沿待测小磁场的方向，利用三角函数关系构建关于待测小磁场强度、均匀强磁场强度、磁干扰场强度、空间总磁场值以及磁干扰场与光泵磁力仪轴线方向夹角的方程组，通过求解方程组得到空间待测小磁场的强度值。本发明可以实现对空间待测小磁场变化的测量。

主权项：1.一种空间小磁场的测量方法，其特征在于，在空间待测小磁场方向依次产生三个以上强度已知的均匀强磁场，所述强度为磁干扰场强度的30倍以上；通过光泵磁力仪测量每次叠加后的空间总磁场值，所述光泵磁力仪轴线沿待测小磁场的方向，利用三角函数关系构建关于待测小磁场强度、均匀强磁场强度、磁干扰场强度、空间总磁场值以及磁干扰场与光泵磁力仪轴线方向夹角的方程组，通过求解方程组得到空间待测小磁场的强度值。

全文数据：一种空间小磁场的测量方法技术领域本发明涉及量子精密测量技术领域，具体涉及一种空间小磁场的测量方法。背景技术在空间磁场探测领域，光泵磁力仪是应用最广泛的一种标量磁力仪，具有测量范围宽、灵敏度高、精度高和频响快等优点，常用于对地磁场的总强度进行测量。光泵磁力仪在测量过程中存在盲区，即只有待测磁场的方向与磁力仪光轴的夹角处于某一特定范围内时才可以正常测量，否则没有信号。当光泵磁力仪搭载于高轨卫星时，由于远离地球，地磁场的强度只有100nT量级左右，而卫星平台的磁干扰却仍保持原来的水平。磁干扰包括：1软磁干扰，主要由星载设备产生，比如无线设备干扰、各种电气设备干扰等，干扰的频率一般比较高；2硬磁干扰，主要与卫星机动和本身材料有关，干扰的频率接近于静磁场频率，其强度较软磁干扰大很多倍。卫星平台产生的这些磁干扰大小不一且方向不固定，导致与待测地磁场的合成场方向也不固定，很容易脱离光泵磁力仪的工作区而无法有效测量。特别是，如果干扰场垂直于待测地磁场且远大于待测地磁场时，将会导致待测场对总磁场大小的贡献远小于光泵磁力仪的分辨率。当待测地磁场在100nT量级，且卫星干扰场远大于待测地磁场，达到地磁场30倍以上时，可将地磁场称为空间小磁场。因此，对于空间小磁场的测量，需要解决光泵磁力仪的工作盲区以及小磁场无法测量等问题。目前，常用的空间磁测量设备主要有磁通门磁强计和光泵磁力仪。由于工作原理的限制，磁通门磁强计在随时间积累以及在温度变化过程中存在零漂问题，会影响磁测数据的准确度。现阶段磁场测量要求的灵敏度也非常高，需要测量pT量级甚至更低的磁异常信号，磁通门磁力仪极难具有这样低的灵敏度。发明内容有鉴于此，本发明提供了一种空间小磁场的测量方法，可以实现对空间待测小磁场变化的测量。本发明的具体实施方案如下：一种空间小磁场的测量方法，在空间待测小磁场方向依次产生三个以上强度已知的均匀强磁场，所述强度为磁干扰场强度的30倍以上；通过光泵磁力仪测量每次叠加后的空间总磁场值，所述光泵磁力仪轴线沿待测小磁场的方向，利用三角函数关系构建关于待测小磁场强度、均匀强磁场强度、磁干扰场强度、空间总磁场值以及磁干扰场与光泵磁力仪轴线方向夹角的方程组，通过求解方程组得到空间待测小磁场的强度值。若磁干扰场垂直于待测小磁场方向，且在空间待测小磁场方向叠加的一个均匀强磁场远大于磁干扰场时，磁干扰场可以被忽略，通过光泵磁力仪测量叠加后的空间总磁场值，所述光泵磁力仪轴线沿待测小磁场的方向，空间总磁场值与均匀强磁场强度值之差即为待测小磁场的强度值。进一步地，所述均匀强磁场利用亥姆霍兹线圈在待测小磁场方向产生。进一步地，所述测量方法所采用的测量系统包括：亥姆霍兹线圈、光泵磁力仪、电流源、信号检测及处理模块；所述亥姆霍兹线圈的轴线沿待测小磁场的方向，所述光泵磁力仪的磁敏感探头沿亥姆霍兹线圈的轴线并放置于线圈中央，电流源为亥姆霍兹线圈提供稳恒电流，信号检测及处理模块对光泵磁力仪磁敏感探头探测输出的磁场电压信号进行处理和分析，得到空间待测小磁场的强度。有益效果：本发明可对磁场方向确定的空间小磁场进行测量，产生与待测小磁场方向相同的均匀强磁场，并用光泵磁力仪测量叠加磁场的总场值，能够测量卫星磁干扰较大情况下的空间小磁场，满足对地球同步轨道磁场测量的需求，适用于高轨卫星光泵磁力仪载荷针对空间小磁场的磁场测量。附图说明图1是本发明方法的测量系统示意图；图2是构建方程组的磁场矢量叠加图。其中，1-亥姆霍兹线圈，2-光泵磁力仪磁敏感探头，3-电流源，4-信号检测及处理模块。具体实施方式下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。光泵磁力仪为标量磁力仪，磁场方向与其轴线呈90度附近区域内是工作盲区，其余区域为工作区，磁场方向与其轴线呈0度附近区域内是其最佳工作区。当磁干扰场垂直于磁力仪光轴且远大于待测小磁场时，叠加场将会处于光泵磁力仪盲区中而导致无法测量，并且会导致待测场对总场的贡献微乎其微，远小于光泵磁力仪的分辨率。此时，若利用亥姆霍兹线圈在待测小磁场方向产生一个远大于卫星磁干扰场的强磁场，根据磁场矢量叠加原理，总磁场方向将会被拉回光泵磁力仪工作区，从而测出空间待测小磁场、卫星干扰磁场、亥姆霍兹线圈产生的均匀磁场的总磁场的大小。本发明提供了一种空间小磁场的测量方法，若磁干扰场垂直于待测小磁场方向，即位于光泵磁力仪盲区，利用亥姆霍兹线圈在待测小磁场方向增加一个强磁场，强磁场强度为磁干扰场30倍以上，将总磁场方向始终保持在光泵磁力仪工作区内，此时，垂直于光轴方向的磁干扰场对总场的贡献几乎为零，磁干扰场可以忽略，待测小磁场的大小为相对于线圈产生均匀磁场的变化量，待测小磁场的贡献可被光泵磁力仪检测出。已知所加的均匀强磁场的大小和方向，信号检测及处理模块可最终给出待测小磁场的强度值。由于光泵磁力仪的分辨率在pT量级，所以对于空间小磁场的测量分辨率主要取决于线圈产生均匀磁场的精度。测量空间小磁场的磁场测量系统由光泵磁力仪2、亥姆霍兹线圈1、电流源3和信号检测及处理模块4组成，如图1所示。亥姆霍兹线圈1为两个半径和匝数完全相同的同轴排列的线圈，其间距等于半径，中间串接而成。亥姆霍兹线圈1可以在轴中点附近的较大范围内产生均匀磁场，其强度与线圈中所通的电流成正比。半径为13cm，匝数为70，当线圈中所通电流为0.1A时，可在其轴线中点的附近区域内产生沿轴线的50000nT大小的均匀磁场。光泵磁力仪磁敏感探头2：用于感知空间小磁场、卫星磁干扰场、线圈产生的均匀磁场的叠加场的大小。亥姆霍兹线圈1的轴线沿待测小磁场的方向，电流源3为亥姆霍兹线圈1提供稳恒电流。光泵磁力仪磁敏感探头2放置于亥姆霍兹线圈1中央，其光轴与亥姆霍兹线圈1的轴线重合，对亥姆霍兹线圈1产生的均匀强磁场与外部磁场的叠加总磁场进行测量，待测小磁场由于与总磁场方向几乎同向，因而光泵磁力仪可以检测到待测总磁场的变化。同时，由于所加的均匀强磁场的大小已知，通过信号检测及处理模块4即可得到空间待测小磁场的强度。若磁干扰场不在光泵磁力仪盲区而在工作区，两者叠加场仍能被磁力仪探测到，磁干扰场不能被忽略。此时，利用亥姆霍兹线圈1在待测小磁场方向连续产生三个以上强度已知的均匀强磁场，测量每次总磁场的数值，利用余弦定理构建关于空间待测小磁场强度、均匀强磁场强度、磁干扰场强度以及磁干扰场与光泵磁力仪轴线方向夹角的方程组，通过求解方程组得到空间待测小磁场的强度值。方程组构造方法为：如图2所示，假设空间待测小磁场的强度为x，磁干扰场的强度为y，光泵磁力仪轴线沿待测小磁场的方向，磁干扰场与光泵磁力仪轴线方向夹角为θ，x、y、θ均为未知量。采用亥姆霍兹线圈1产生的均匀强磁场强度分别为m1、m2、m3、···、mn，n≥3。式中，a1、a2、a3、···、an代表每次测量得到的总磁场值。综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

权利要求：1.一种空间小磁场的测量方法，其特征在于，在空间待测小磁场方向依次产生三个以上强度已知的均匀强磁场，所述强度为磁干扰场强度的30倍以上；通过光泵磁力仪测量每次叠加后的空间总磁场值，所述光泵磁力仪轴线沿待测小磁场的方向，利用三角函数关系构建关于待测小磁场强度、均匀强磁场强度、磁干扰场强度、空间总磁场值以及磁干扰场与光泵磁力仪轴线方向夹角的方程组，通过求解方程组得到空间待测小磁场的强度值。2.一种空间小磁场的测量方法，其特征在于，若磁干扰场垂直于待测小磁场方向，且在空间待测小磁场方向叠加的一个均匀强磁场远大于磁干扰场时，磁干扰场可以被忽略，通过光泵磁力仪测量叠加后的空间总磁场值，所述光泵磁力仪轴线沿待测小磁场的方向，空间总磁场值与均匀强磁场强度值之差即为待测小磁场的强度值。3.如权利要求1或2所述的空间小磁场的测量方法，其特征在于，所述均匀强磁场利用亥姆霍兹线圈在待测小磁场方向产生。4.如权利要求1或2所述的空间小磁场的测量方法，其特征在于，所述测量方法所采用的测量系统包括：亥姆霍兹线圈、光泵磁力仪、电流源、信号检测及处理模块；所述亥姆霍兹线圈的轴线沿待测小磁场的方向，所述光泵磁力仪的磁敏感探头沿亥姆霍兹线圈的轴线并放置于线圈中央，电流源为亥姆霍兹线圈提供稳恒电流，信号检测及处理模块对光泵磁力仪磁敏感探头探测输出的磁场电压信号进行处理和分析，得到空间待测小磁场的强度。

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