火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)技術(shù)

趙琳，杜愛民,3，喬東海，孫樹全，張瑩,3，區(qū)家明，郭志芳，李智，馮曉，顧少燃，李峰

（1. 中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所 地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2. 中國科學(xué)院 地球科學(xué)研究院，北京 100029；3. 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 蘇州大學(xué)，蘇州 215006）

引 言

磁場是描述火星的重要物理量之一[1]。火星磁場測量為研究火星殼磁場空間分布、磁場起源及其時(shí)間演化、與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，以及太陽風(fēng)與電離層的相互作用等方面提供了重要的觀測數(shù)據(jù)。預(yù)期取得的研究成果對于認(rèn)識火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、火星空間電磁環(huán)境，以及火星大氣和氣候的演化過程具有重要的科學(xué)意義。

20世紀(jì)60年代，人類開始對火星磁場進(jìn)行探測和研究，火星磁場的探測主要是通過在探測器上搭載的磁力儀對接近火星表面的磁場直接測量實(shí)現(xiàn)的[1]。獲取有效磁場數(shù)據(jù)的火星磁場測量載荷信息如表1所示。

磁通門磁強(qiáng)計(jì)具有小體積、低功耗、低噪聲、高分辨率、高可靠性等優(yōu)勢，是星載磁測載荷的首選，基于矢量補(bǔ)償環(huán)型磁芯傳感器技術(shù)和數(shù)字處理電子學(xué)技術(shù)的磁通門磁強(qiáng)計(jì)在深空探測任務(wù)中得到了廣泛的運(yùn)用。國際上，Venus Express磁強(qiáng)計(jì)[2]、Rosetta磁強(qiáng)計(jì)[3]、THEMIS磁強(qiáng)計(jì)[4]、Mascot磁強(qiáng)計(jì)[5]的探頭都采用矢量補(bǔ)償環(huán)型磁芯傳感器結(jié)構(gòu)，這種探頭主要由德國布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的地球物理與地外物理研究所 (The Institute for Geophysics and Extraterrestrial Physics，IGeP)研發(fā)，配套的磁通門數(shù)字電路的核心設(shè)計(jì)方案主要由德國Magson公司提供[4-6]。

1 磁通門磁強(qiáng)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)單機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

1.2 基本原理及構(gòu)成

磁通門磁強(qiáng)計(jì)是一種測量微弱靜態(tài)或低頻交變磁場的矢量傳感器，由三軸磁通門探頭和電子學(xué)單元組成，其中探頭部分是相互正交安裝的3組磁通門線圈系統(tǒng)，主要包括激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈和反饋線圈?；镜墓ぷ髁鞒淌抢抿?qū)動電路向激勵(lì)線圈加載一定頻率f0（約9.6 kHz）的對稱脈沖激勵(lì)電流，在每個(gè)激勵(lì)電流脈沖作用下，磁芯被飽和兩次，感應(yīng)線圈將磁信號轉(zhuǎn)換為電信號。傳感器輸出的任意偶次諧波均可作為被測磁場的量度，由于二次諧波幅值最大，故通常選取其二次諧波電壓量度被測磁場。

火星車磁強(qiáng)計(jì)在配置上包括兩個(gè)磁強(qiáng)計(jì)探頭（含線纜）和1塊電子學(xué)單元，兩個(gè)磁強(qiáng)計(jì)探頭用來采集磁場信號，分別安裝于桅桿頂端（探頭1）和桅桿底部（探頭2），如圖1所示；電子學(xué)單元主要為磁強(qiáng)計(jì)探頭提供激勵(lì)信號，并對探頭輸出信號進(jìn)行低噪聲放大、處理和傳輸，電子學(xué)單元安裝在巡視器內(nèi)部載荷控制器中。

表1 火星磁測相關(guān)信息Table 1 Information of Martian magnetic field measurement

表2 主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance indicators

圖1 雙探頭安裝位置Fig.1 Installation position of the two probes

1.3 磁強(qiáng)計(jì)探頭研制

火星車磁通門強(qiáng)計(jì)探頭采用亥姆霍茲補(bǔ)償線圈結(jié)構(gòu)[7]。如圖2所示，這種高精度的三軸同心結(jié)構(gòu)傳感器可實(shí)現(xiàn)空間中磁場的同點(diǎn)測量，能夠消除梯度場帶來的三軸矢量測量偏差，具有分辨率高、噪聲水平低、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

探頭主要由多組線圈（包括激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈和反饋線圈）、骨架和熱敏電阻構(gòu)成。其中，激勵(lì)線圈采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)探頭有2組垂直套疊的激勵(lì)線圈，其環(huán)形磁芯骨架的直徑為13 mm和18 mm，選用0.2 mm的漆包線單層緊密排繞。感應(yīng)線圈由2組跑道型無骨線圈和1組環(huán)形無骨線圈組成，不同分量的感應(yīng)線圈相互垂直。反饋線圈是由3組相互垂直且同心組裝的亥姆霍茲線圈組成，主要作用是在通入反饋電流后產(chǎn)生三分量的補(bǔ)償磁場，使磁強(qiáng)計(jì)探頭中心點(diǎn)在零磁場附近。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of probe

探頭研制過程中，主要優(yōu)選熱膨脹系數(shù)一致的材料，采用軟件仿真和鑒定級試驗(yàn)相結(jié)合的方式來驗(yàn)證其熱力學(xué)性能滿足火星環(huán)境任務(wù)要求。

1.4 電子學(xué)單元研制

電子學(xué)單元硬件結(jié)構(gòu)上由電源模塊、現(xiàn)場可編程門陣列（Field-Progremmable Gate Array，F(xiàn)PGA）主控與信號處理模塊、探頭激勵(lì)信號產(chǎn)生模塊、感應(yīng)信號采集模塊、反饋模塊和溫度模塊構(gòu)成[8-10]，如圖3所示。載荷控制器為火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)單機(jī)提供 ± 12 V、+ 5 V、+ 3.3 V的二次電源，電路中各器件所需的電源由單機(jī)內(nèi)部電源模塊給出，F(xiàn)PGA主控模塊控制外圍芯片完成信號處理、指令解析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。溫度模塊主要是用來采集探頭和電路板的溫度，實(shí)現(xiàn)磁測數(shù)據(jù)的溫漂修正。

圖3 數(shù)字磁通門模塊構(gòu)成Fig.3 Module of digital fluxgate

單機(jī)激勵(lì)信號頻率是9.6 kHz，采樣頻率為80～160 kHz之間，選用FPGA做主控，通過算法準(zhǔn)確消除數(shù)字處理系統(tǒng)的量化誤差，利用過采樣和數(shù)字濾波方式來降低儀器噪聲和功能[11]。采用D/A數(shù)字補(bǔ)償，消除探頭非對稱引起的零偏信號或假信號，實(shí)現(xiàn)磁場動態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以提高測量精度。通常，數(shù)字磁通門在大動態(tài)范圍磁場測量中，常采用分檔切換、精度調(diào)節(jié)的技術(shù)，這使得磁場測量數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變，但火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)采用FPGA數(shù)字反饋技術(shù)和探頭線圈反饋結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了 ± 6.5萬nT的全量程自適應(yīng)測量，同時(shí)保證了單機(jī)分辨率優(yōu)于0.01 nT（見圖4）。

圖4 火星表面磁場探測儀鑒定件實(shí)物圖Fig.4 Identification parts of the ROVER fluxgate magnetometer

為適應(yīng)巡視器載荷產(chǎn)品應(yīng)用需求，火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)在保證探測精度的前提下，參照了Magson公司的硬件設(shè)計(jì)理念，采用全數(shù)字式電路方案替代傳統(tǒng)的模擬電路方案，使得產(chǎn)品功耗降低至4 W以內(nèi)，電路板（含外框）重量控制在610 g以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了載荷產(chǎn)品的小型化、低功耗。

2 地面定標(biāo)試驗(yàn)

在國防科技工業(yè)弱磁一級計(jì)量站（宜昌測試技術(shù)研究所磁學(xué)檢測校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行了火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)地面定標(biāo)工作。

2.1 量程、線性度標(biāo)定

首先，對每個(gè)探頭每軸分別進(jìn)行線性加場試驗(yàn)，將待標(biāo)定磁強(qiáng)計(jì)探頭放置在三維亥姆霍茲加場線圈內(nèi)，利用磁通門磁強(qiáng)計(jì)校準(zhǔn)裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場，全量程的加場范圍為-6.5～+6.5萬nT，每5 000 nT一個(gè)測試點(diǎn)，每個(gè)測試點(diǎn)記錄有效數(shù)據(jù)不少于1 min，對數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合并得出擬合曲線公式B0=A*BX+C，其中，B0為標(biāo)準(zhǔn)磁場數(shù)據(jù)，BX為待標(biāo)定磁強(qiáng)計(jì)探頭測量值，A為比例因子，C為零偏。然后與標(biāo)準(zhǔn)磁場數(shù)據(jù)做對比，得出每軸的線性度、量程指標(biāo)。

圖5是火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭1的地面加場試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示探頭1的三分量量程均達(dá)到 ± 6.5萬nT，X軸、Y軸、Z軸線性度分別為0.016 %、0.017 %、0.020 %。

2.2 三軸正交度標(biāo)定

圖5 探頭1的量程、線性度Fig.5 Range and linearity of probe 1

在相鄰的兩次對X軸的加場Bi和Bi+1下，利用公式（1）、公式（2）分別得到Y(jié)軸、Z軸與X軸之間的非正交性；同樣在相鄰的兩次對Y軸的加場Bi和Bi+1下，利用公式（3）可得到Z軸與Y軸之間的非正交性。

在測試過程中，加場的標(biāo)準(zhǔn)磁場值從6.5萬 nT變化到-6.5萬 nT。選用一半的測試數(shù)據(jù)計(jì)算得到非正交性系數(shù)，然后利用非正交性系數(shù)修正磁場數(shù)據(jù)后，代入另一半測試數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各軸間的正交性參數(shù)如表3所示。

表3 標(biāo)定后各軸向的正交性Table 3 Orthogonality of each axis after calibration

2.3 噪聲水平、分辨率、精度標(biāo)定

磁強(qiáng)計(jì)噪聲水平的測試需要一個(gè)穩(wěn)定、擾動小的磁場環(huán)境，一般要求測試環(huán)境的磁場擾動要遠(yuǎn)小于儀器本身的測量噪聲。試驗(yàn)過程中將待標(biāo)定磁強(qiáng)計(jì)探頭放置在1.6 m長的圓柱形多層屏蔽筒內(nèi)，屏蔽筒內(nèi)部的噪聲≤ 0.1 pT（5 Hz～10 kHz），持續(xù)測量30 min，記錄三分量磁場數(shù)據(jù)。對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT頻譜分析，分別得到探頭1和探頭2的各軸噪聲FFT功率譜密度譜圖如圖6～7所示。取1 Hz附近5點(diǎn)均值，得到探頭1的X、Y、Z三軸噪聲分別為0.006 3 nT/√Hz、0.003 2 nT/√Hz、0.005 1 nT/√Hz、探頭2的X、Y、Z三軸噪聲分別為0.003 0 nT/√Hz，0.004 0 nT/√Hz，0.007 0 nT/√Hz，兩個(gè)探頭的各軸分辨率均優(yōu)于0.01 nT，精度優(yōu)于0.1 nT。

圖6 探頭1 的FFT功率譜密度譜圖Fig.6 The FFT power spectral density spectrum of probe 1

圖7 探頭2的FFT功率譜密度譜圖Fig.7 The FFT power spectral density spectrum of probe 2

2.4 溫度穩(wěn)定性

將待標(biāo)定磁強(qiáng)計(jì)探頭放置在溫控箱的工作區(qū)內(nèi)，在工作區(qū)內(nèi)復(fù)現(xiàn)零場環(huán)境?？刂聘叩蜏卣{(diào)控箱內(nèi)的溫度每隔5℃變化，每個(gè)溫度校準(zhǔn)點(diǎn)測量時(shí)間長度不少于40 min，記錄數(shù)據(jù)。

取溫度較平坦段10 min數(shù)據(jù)，利用19 200個(gè)點(diǎn)計(jì)算磁場平均值，進(jìn)一步利用公式（4）和公式（5）分別求得相鄰溫度點(diǎn)下磁場平均值的變化值和磁場溫漂值，通過計(jì)算，火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)的溫度穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)于0.01 nT/℃，具體見表4。

其中：Bvi為相鄰溫度點(diǎn)下磁場平均值的變化值；BT為相鄰溫度點(diǎn)下磁場溫漂值。

3 結(jié) 論

開展了火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)單機(jī)的設(shè)計(jì)和研制工作，單機(jī)采用亥姆霍茲補(bǔ)償線圈型探頭技術(shù)和全數(shù)字閉環(huán)反饋電路技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)空間磁場的高精度同點(diǎn)測量。通過地面定標(biāo)，單機(jī)量程、噪聲水平、分辨率、精度、穩(wěn)定性指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，到達(dá)國際先進(jìn)水平，與國際火星磁強(qiáng)計(jì)（MAVEN磁通門磁強(qiáng)計(jì)[12]）對比，結(jié)果見表5。

表5 與THEMIS磁強(qiáng)計(jì)性能比較Table 5 Performance comparison with the THEMIS fluxgate magnetometer