絕對磁場測量設(shè)備及所適用的絕對磁場測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種絕對磁場測量技術(shù)，特別是涉及一種絕對磁場測量設(shè)備及所適用 的絕對磁場測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁場測量在宇宙天文、生物醫(yī)療、地球物理勘探中具有重要的意義。比如：宇宙地 磁測量、腦磁/心磁信號(hào)測量診斷、大地磁信號(hào)測量勘探等。如何精確的測量到磁場信號(hào)， 尤其是絕對磁場信號(hào)，在磁信號(hào)反演過程中至關(guān)重要。
[0003] 目前所使用的絕對磁場測量設(shè)備是利用磁通門計(jì)來測量磁場環(huán)境的絕對磁場。磁 通門磁傳感器的噪聲最低在ΙΟρΤ/Ηζ 1/2左右，帶寬也比較低在小于3kHz左右，由于磁通門 計(jì)對于3kHz以上的帶寬無法及時(shí)響應(yīng)，對于變化極快的磁場的絕對值測量是無法測得瞬 變時(shí)的絕對磁場。
[0004] 另外，目前還有一種具有高靈敏度的磁通傳感器：超導(dǎo)量子干涉器件（SQUID)，能 測量微弱磁信號(hào)，且極其靈敏。這種器件由于磁通到電壓傳輸特性曲線是類正弦的周期信 號(hào)，因此SQUID常常工作在磁通鎖定環(huán)路下使SQUID的傳輸特性線性化；同時(shí)，也正是因?yàn)?SQUID磁通到電壓傳輸特性曲線是類正弦周期的，與SQUID鏈接的讀出電路所鎖定的工作 點(diǎn)可以鎖定在任一周期中的一點(diǎn)上，是不確定的，因而SQUID測到的信號(hào)只能是相對于鎖 定點(diǎn)處磁場的相對值。
[0005] 如何利用SQUID的高靈敏度來測量瞬變帶寬過大的絕對磁場測量值，是本領(lǐng)域技 術(shù)人員所要解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種絕對磁場測量設(shè)備及 所適用的絕對磁場測量方法，用于解決現(xiàn)有技術(shù)中瞬變帶寬過大時(shí)絕對磁場無法高精度的 測量的問題。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種絕對磁場測量設(shè)備，包括：設(shè)置 在超導(dǎo)環(huán)境中的三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)包括：沿三個(gè)不同軸向設(shè)置的超導(dǎo)量子干涉器 磁傳感器；與所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)處于同一磁場環(huán)境且設(shè)置在常溫環(huán)境中的三 軸磁通門計(jì)，其中，所述三軸磁通門計(jì)的每個(gè)軸向與所對應(yīng)的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器感 應(yīng)同一軸向的磁場；與所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)和三軸磁通門計(jì)相連的數(shù)據(jù)采集處 理裝置，用于利用各軸向的所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器所測得的相對測量值來擬合所述 磁場環(huán)境的絕對測量擬合值，以便所述磁場擬合值與所述三軸磁通門計(jì)所測得的絕對磁場 值的均方誤差最小，并根據(jù)所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)所測得的相對測量值和所擬合 的各絕對測量擬合值中的直流分量來確定所述磁場環(huán)境的絕對值。
[0008] 優(yōu)選地，所述三軸磁通門計(jì)的各軸向和所對應(yīng)的各軸向的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感 器彼此平行。
[0009] 優(yōu)選地，所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器沿彼此正交的軸向設(shè)置，
[0010] 優(yōu)選地，所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)放置在盛放液氮或液氦的杜瓦中。
[0011] 優(yōu)選地，所述三軸磁通門計(jì)放置在所述杜瓦的上蓋。
[0012] 優(yōu)選地，所述數(shù)據(jù)采集處理裝置包括：與所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)和三 軸磁通門計(jì)相連的采集單元，用于采集多組所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)所輸出的相 對測量值，及多組所述三軸磁通門計(jì)所輸出的絕對測量值，其中，每組中包含多次同步 采集的相對測量值和絕對測量值；與所述采集單元相連的數(shù)據(jù)處理單元，用于利用公式 ?/I +爲(wèi)Ay + r/L + A和所述采集單元所采集的各組所述三軸超導(dǎo)量子干涉 器磁強(qiáng)計(jì)在各軸向的相對測量值來擬合所述磁場環(huán)境的絕對測量擬合值，使得所述磁場 擬合值與所述三軸磁通門計(jì)所測得的絕對磁場值的均方誤差最小，并利用公式（Msx+Kx)、 (Msy+Ky)、（msz+kz)分別得到三個(gè)軸的磁場絕對值；其中，從二_為χ、γ、ζ軸向中一個(gè)軸向的絕 對測量擬合值，Msx、Msy、Msz分別為三個(gè)軸向的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器所測得的相對測量 值，ai、βρ Yi分別為X、Y、Z軸向中同一軸向的擬合系數(shù)，KiSX、Y、Z軸向中一個(gè)軸向的 直流分量，M為所得到的絕對值，K x、Ky、Kz分別為所擬合的三個(gè)軸向的直流分量。
[0013] 優(yōu)選地，所述擬合方式為最小二乘擬合法。
[0014] 基于上述目的，本發(fā)明還提供一種利用如上任一所述的絕對磁場測量設(shè)備來進(jìn)行 絕對磁場測量的方法，包括：1)采集所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)所輸出的相對測量值， 及所述三軸磁通門計(jì)所輸出的絕對測量值；2)利用各軸向的所述超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器 所測得的相對測量值來擬合所述磁場環(huán)境的絕對測量擬合值，以便所述磁場擬合值與所述 三軸磁通門計(jì)所測得的絕對磁場值的均方誤差最?。?)根據(jù)所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng) 計(jì)所測得的相對測量值和所擬合的各絕對測量擬合值中的直流分量來確定所述磁場環(huán)境 的絕對值。
[0015] 優(yōu)選地，所述步驟2)包括：利用公式< =AMsx +爲(wèi)Msy + riMs_ + K和多次采 集的所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)在各軸向的相對測量值來擬合所述磁場環(huán)境的絕對 測量擬合值，使得所述磁場擬合值與所述三軸磁通門計(jì)所測得的絕對磁場值的均方誤差最 小，其中，M二為X、γ、Z軸向中一個(gè)軸向的絕對測量擬合值，Msx、Msy、Msz分別為三個(gè)軸向的 超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器所測得的相對測量值，a i、β i、Y i分別為X、Y、Z軸向中同一軸向 的擬合系數(shù)，Ki為X、Y、Z軸向中一個(gè)軸向的直流分量；
[0016] 所述步驟3)包括：并利用公式（Msx+Kx)、(Msy+Ky)、(M sz+Kz)分別得到三個(gè)軸的磁場 絕對值；其中，M為所得到的絕對值，Kx、K y、Kz分別為所擬合的三個(gè)軸向的直流分量。
[0017] 優(yōu)選地，所述擬合方式為最小二乘擬合法。
[0018] 如上所述，本發(fā)明的絕對磁場測量設(shè)備及所適用的絕對磁場測量方法，具有以下 有益效果：利用測量帶寬高、靈敏度高的三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)來計(jì)算誤差最小時(shí)的 絕對測量值的變化量，能夠在磁場瞬間變化時(shí)，高精度的測得磁場的絕對測量值。
【附圖說明】
[0019] 圖1顯示為本發(fā)明的絕對磁場測量設(shè)備的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020] 圖2顯示為本發(fā)明絕對磁場測量方法的流程圖。
[0021] 元件標(biāo)號(hào)說明
[0022] I 絕對磁場測量設(shè)備 II 三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì) 12 三軸磁通門計(jì) 13 數(shù)據(jù)處理裝置 14 杜瓦 Sl~S3 步驟
【具體實(shí)施方式】
[0023] 以下由特定的具體實(shí)施例說明本發(fā)明的實(shí)施方式，熟悉此技術(shù)的人士可由本說明 書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)及功效。
[0024] 請參閱圖1。須知，本說明書所附圖式所繪示的結(jié)構(gòu)、比例、大小等，均僅用以配合 說明書所揭示的內(nèi)容，以供熟悉此技術(shù)的人士了解與閱讀，并非用以限定本發(fā)明可實(shí)施的 限定條件，故不具技術(shù)上的實(shí)質(zhì)意義，任何結(jié)構(gòu)的修飾、比例關(guān)系的改變或大小的調(diào)整，在 不影響本發(fā)明所能產(chǎn)生的功效及所能達(dá)成的目的下，均應(yīng)仍落在本發(fā)明所揭示的技術(shù)內(nèi)容 得能涵蓋的范圍內(nèi)。
[0025] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種絕對磁場測量設(shè)備。所述絕對磁場測量設(shè)備1包括： 三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)11、三軸磁通門計(jì)12、數(shù)據(jù)采集處理裝置133。
[0026] 所述三軸超導(dǎo)量子干涉器磁強(qiáng)計(jì)11包括三個(gè)軸向的超導(dǎo)量子干涉器磁傳感器， 并設(shè)置在超導(dǎo)環(huán)境中，其中，所述超導(dǎo)環(huán)境指溫度在4. 2開爾文(相當(dāng)于-269攝氏度)或77 開爾文左右的環(huán)境中。通常，所述超導(dǎo)環(huán)境由封裝有液氮或液氦的杜瓦14提