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《吉林大学》 2017年
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高温超导全张量磁梯度测量技术研究

申茂冬  
【摘要】:作为最新一代的航空磁测技术,航空全张量磁梯度测量在地球物理勘探、军事探潜、水下及地下未爆炸物检测等方面具有许多独特的优势,被誉为磁法勘探的下一次突破。DC-SQUID平面梯度计继承了SQUID高灵敏度、低噪声及宽频带的优点,直接测量磁场的梯度值,对共模磁场有很强的抑制能力,可有效避免背景磁场噪声对目标梯度信号的干扰,适于搭建磁梯度张量测量探头。德国、美国、澳大利亚等国纷纷开展了卓有成效的基于DC-SQUID平面梯度计的航空全张量磁梯度测量系统的研究工作,其中,德国已成功研制了实用化产品,并在南非进行了多次测量任务,取得不错的效果。本论文以国家“十二五”期间设立的“863计划”项目子课题“航磁三分量矢量勘查系统与航磁全张量技术研究”为依托,针对高温DC-SQUID平面梯度计应用于航空全张量磁梯度测量进行可行性研究,主要工作及成果如下:(1)高温超导全张量磁梯度测量模型研究与系统设计。对全张量磁梯度测量原理以及DC-SQUID平面梯度计与磁强计的工作机理进行了研究,并深入分析了基于DC-SQUID平面梯度计的偏微分测量模型;在此基础上,针对航空磁测过程中张量探头坐标系不固定的情况,建立了基于地理坐标系的磁梯度张量动态测量模型;以该动态测量模型为基础,研制了国内首套基于高温DC-SQUID平面梯度计的超导全张量磁梯度测量系统样机。其中,各平面梯度计的静噪水平优于?)Hz(m100pT@1kHz。(2)高温超导全张量磁梯度测量探头几何结构最优化研究。DC-SQUID平面梯度计为矢量传感器,其在张量探头的布置方式(探头结构参数)影响着磁梯度张量5个独立分量的测量分辨率,通过优化张量探头结构参数可以实现磁梯度张量的最佳测量效果。本文以平面梯度计的梯度分辨率为切入点,推导出5个独立分量的分辨率与张量探头结构参数之间的函数关系,以5个独立分量相对分辨率的最大值为目标函数对张量探头的结构参数进行优化,得到了张量探头的最佳结构参数,即探头最佳倾角为58.7°、1#梯度计在探头坐标系xoy平面上的投影与x轴的夹角为±15°。该方法同样适用于其他棱台型张量探头结构参数的优化。(3)高温DC-SQUID平面梯度计不平衡度修正方法研究。DC-SQUID平面梯度计存在本征不平衡度,对共模磁场的抑制能力有限。由于野外未屏蔽环境中的共模磁场高达数万nT,不平衡度导致的共模噪声将严重干扰目标梯度信号。本文利用RLS自适应拟合算法,以三轴磁强计测量值为参考量对梯度计共模噪声进行自适应拟合,获取共模噪声相对于三轴磁强计测量值的修正向量;随后基于该修正向量建立共模噪声滤波器,利用同步采集的三轴磁强计测量值对梯度计测量信号进行滤波,实现了梯度计不平衡度的修正。野外地面实验表明该方法将共模影响降低了2个量级。此外,由仿真实验可知,该方法对不平衡度的修正精度与环境磁场的均匀度呈正相关,鉴于高空环境的磁场均匀度大于地表环境,理论上在高空中的修正精度会更高。(4)DC-SQUID工作状态自动调控方法研究。航空磁测过程中,测量系统布置于飞行平台下方几十米的吊舱内由飞行平台拖拽着进行测量,操作人员无法触及。针对这一特殊的布置方式,本文研制了数字式DC-SQUID测控单元,以上位机为控制终端,RS485为通信总线,MSP430单片机为控制媒介,驱动A/D转换芯片、模拟开关、光电耦合器实现了DC-SQUID传感器工作状态的远程调控。基于该硬件平台,本文通过研究DC-SQUID最佳工作点自动设置算法实现了传感器工作参数的自动设置,不仅减少了操作人员的工作量,更为后续的基于无人机平台的全张量磁梯度测量系统的构建提供了技术积累。(5)高温超导全张量磁梯度测量系统样机室内静态性能参数测试与可行性验证方法研究。搭建了室内测试平台,制定了针对各项性能参数的测试方法,并通过实验获得了样机各测量通道的静噪水平、灵敏度、动态范围、带宽、摆率等性能水平;在此基础上,开展了磁异常体定位实验,利用测量系统对运动的钢丝钳产生的磁异常进行测量,通过单点定位算法反演异常体的运动轨迹,反演结果与实际运动轨迹相符,从而验证系统的有效性,为开展后续的动态性能参数测试与野外实验甚至是实用型样机的研制奠定了基础。
【学位授予单位】:吉林大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:P631.222

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