艦艇消磁系統(tǒng)磁通門磁強(qiáng)計(jì)噪聲指標(biāo)測(cè)試淺析

張 迪，韓 松，閻齊方

艦艇消磁系統(tǒng)磁通門磁強(qiáng)計(jì)噪聲指標(biāo)測(cè)試淺析

張 迪1，韓 松2，閻齊方3

（91315部隊(duì)，遼寧大連 116041）

噪聲水平在一定程度上決定了磁強(qiáng)計(jì)對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別能力。本文對(duì)艦艇消磁系統(tǒng)所采用的磁通門磁強(qiáng)計(jì)噪聲的形成機(jī)理、測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)建進(jìn)行了研究分析，并介紹說明了工程上常用的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及測(cè)試數(shù)據(jù)處理方法。

消磁系統(tǒng) 磁通門 磁強(qiáng)計(jì) 噪聲 測(cè)試

0 引言

磁通門磁強(qiáng)計(jì)又稱磁飽和磁強(qiáng)計(jì)，是利用高磁導(dǎo)率磁性材料的磁芯在交變激勵(lì)作用下產(chǎn)生周期性飽和與非飽和磁化效應(yīng)，通過檢測(cè)磁芯感應(yīng)線圈輸出的與被測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度成正比的諧波(通常為二次諧波) 信號(hào)幅值，來實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)測(cè)量[1]。作為艦艇消磁系統(tǒng)重要組成的磁傳感器即為一套三分量磁通門磁強(qiáng)計(jì)。其功能是測(cè)量艦艇所處位置的地磁場(chǎng)信號(hào)。消磁系統(tǒng)控制儀將該信號(hào)作為控制信號(hào)用于及時(shí)調(diào)整消磁繞組中的電流，更好地降低艦艇磁場(chǎng)信號(hào)，以防御水中磁性魚、水雷等武器的攻擊以及空中磁性探測(cè)。磁傳感器靈敏度和準(zhǔn)確性等指標(biāo)直接影響到艦艇磁隱身性能。因此對(duì)磁通門磁強(qiáng)計(jì)性能指標(biāo)特別是噪聲水平的研究測(cè)試，對(duì)于提高艦艇生命力和戰(zhàn)斗力都具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 噪聲形成的機(jī)理

磁通門磁強(qiáng)計(jì)是一種弱磁信號(hào)測(cè)量?jī)x器，其噪聲水平在一定程度上決定了磁強(qiáng)計(jì)對(duì)磁場(chǎng)信號(hào)的檢測(cè)和識(shí)別能力，是衡量其性能優(yōu)劣的一項(xiàng)重要限定性技術(shù)指標(biāo)。

磁通門磁強(qiáng)計(jì)的噪聲是指當(dāng)被測(cè)磁場(chǎng)不變時(shí)，磁強(qiáng)計(jì)輸出信號(hào)產(chǎn)生的短時(shí)間不規(guī)則隨機(jī)波動(dòng)。它由分布于磁傳感器和電路中大量彼此相互獨(dú)立的隨機(jī)噪聲分量共同組成，主要包括：傳感器磁芯材料的磁疇壁跳躍產(chǎn)生的巴克豪森噪聲；材料溫度系數(shù)差異導(dǎo)致傳感器結(jié)構(gòu)變形而引起的軸間耦合噪聲；材料電磁參數(shù)的差異、裝配結(jié)構(gòu)的非對(duì)稱性導(dǎo)致的變壓器效應(yīng)噪聲；電路的激勵(lì)信號(hào)、感應(yīng)信號(hào)中有害諧波干擾噪聲；導(dǎo)體自由電子無規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的熱噪聲；半導(dǎo)體器件載流子隨機(jī)波動(dòng)產(chǎn)生的散粒、霰彈、閃爍、暗電流噪聲等[2]。

2 噪聲測(cè)試系統(tǒng)

作為一種高靈敏度弱磁信號(hào)測(cè)量?jī)x器，磁通門磁強(qiáng)計(jì)對(duì)其所處環(huán)境中各種背景磁場(chǎng)的變化十分敏感。因此，測(cè)試噪聲指標(biāo)應(yīng)在磁場(chǎng)強(qiáng)度近似為零的所謂“零磁空間”中進(jìn)行，以盡量消除背景磁場(chǎng)對(duì)測(cè)試的“干擾”。通常采用磁屏蔽、磁補(bǔ)償?shù)确绞綐?gòu)建“零磁空間”，將待測(cè)磁強(qiáng)計(jì)傳感器置于其中，檢測(cè)磁強(qiáng)計(jì)的輸出即認(rèn)為是噪聲。典型的基于“零磁空間”的磁強(qiáng)計(jì)噪聲測(cè)試系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖1 噪聲測(cè)試系統(tǒng)示意圖

磁屏蔽裝置用于對(duì)背景磁場(chǎng)進(jìn)行衰減。磁屏蔽裝置通常由多層高磁導(dǎo)率磁性材料(如坡莫合金、鐵鎳合金)制成，具有很高的磁屏蔽系數(shù)(屏蔽前后磁場(chǎng)之比)，可在其內(nèi)部中心區(qū)域形成一個(gè)相對(duì)均勻、穩(wěn)定的低磁空間(如圖2)。磁屏蔽裝置的屏蔽系數(shù)與其材料、形狀、尺寸、層數(shù)、厚度等密切相關(guān)，例如臥式圓柱筒形磁屏蔽裝置的徑向屏蔽系數(shù)遠(yuǎn)大于軸向屏蔽系數(shù)，故在對(duì)地磁場(chǎng)進(jìn)行屏蔽時(shí)，將其徑向?qū)?zhǔn)南北方向水平放置，則可起到更好的屏蔽效果。

圖2 磁場(chǎng)屏蔽示意圖

磁補(bǔ)償系統(tǒng)用于對(duì)磁屏蔽裝置內(nèi)的剩余磁場(chǎng)做進(jìn)一步動(dòng)態(tài)反向等幅補(bǔ)償，其通常由具有超高分辨力和靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)磁強(qiáng)計(jì)(如質(zhì)子磁強(qiáng)計(jì)、光泵磁強(qiáng)計(jì))、驅(qū)動(dòng)控制電路、高精度電流源、補(bǔ)償線圈組成，可提高“零磁空間”等級(jí)[3]。其中，補(bǔ)償線圈常見的有亥姆霍茲線圈、巴克爾線圈、布朗貝克線圈等。為消除由屏蔽層與補(bǔ)償線圈外側(cè)磁場(chǎng)的耦合效應(yīng)所導(dǎo)致的內(nèi)部磁場(chǎng)畸變，補(bǔ)償線圈多采用無矩式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如圖3），即給線圈反向串聯(lián)一組與其結(jié)構(gòu)相同、尺寸略小的線圈，兩組線圈外部磁場(chǎng)互相抵消，線圈的磁矩近乎于零。

圖3 無矩線圈結(jié)構(gòu)示意圖

利用定位設(shè)備將磁傳感器精確安放在“零磁空間”中心處的無磁轉(zhuǎn)臺(tái)上，電源及信號(hào)由無磁屏蔽線纜引入(出)，并使用現(xiàn)代示波器、頻譜(信號(hào))分析儀等專業(yè)檢測(cè)設(shè)備；或由專業(yè)軟件開發(fā)的可視化應(yīng)用程序、數(shù)據(jù)采集卡、信號(hào)調(diào)理電路等構(gòu)成的計(jì)算機(jī)虛擬測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)處理分析。

此外，在對(duì)精度等級(jí)較高的磁強(qiáng)計(jì)進(jìn)行噪聲指標(biāo)測(cè)試時(shí)，還應(yīng)對(duì)“零磁空間”的溫度、濕度、真空度等物理?xiàng)l件、測(cè)試設(shè)備的電磁防護(hù)、供電品質(zhì)等采取必要控制措施，以避免引入干擾量。

3 噪聲的評(píng)價(jià)指標(biāo)

4 噪聲測(cè)試的算法實(shí)現(xiàn)

4.1 數(shù)據(jù)的預(yù)處理

4.2 峰-峰值和均方根值

噪聲的峰-峰值和均方根值是時(shí)域內(nèi)的兩種直觀的評(píng)價(jià)指標(biāo)。其中，均方根值反映了儀器帶寬內(nèi)所有頻率點(diǎn)總噪聲的有效值，也稱為有效噪聲，其算式為：

圖4 高斯噪聲幅值的概率分布圖

4.3 功率譜密度

4.3.1 自相關(guān)法

4.3.2 周期圖法

5 結(jié)束語

本文對(duì)磁通門磁強(qiáng)計(jì)噪聲的形成機(jī)理、噪聲測(cè)試系統(tǒng)的構(gòu)建、常用噪聲水平評(píng)價(jià)指標(biāo)及其確定方法進(jìn)行了分析介紹，重點(diǎn)對(duì)功率譜密度指標(biāo)的兩種算法（自相關(guān)法和周期圖法）的基本原理、計(jì)算過程進(jìn)行了說明。按文中所述構(gòu)建完備的檢測(cè)條件，選擇合適的數(shù)據(jù)處理方法能夠便捷高效準(zhǔn)確地完成磁通門磁強(qiáng)計(jì)噪聲性能指標(biāo)測(cè)試，并可根據(jù)測(cè)試結(jié)果采取相應(yīng)措施不斷提升磁強(qiáng)計(jì)的靈敏度和精確性。這對(duì)于艦艇消磁系統(tǒng)磁通門傳感器的設(shè)計(jì)測(cè)試、生產(chǎn)檢驗(yàn)和修理調(diào)試等工作具有很強(qiáng)的借鑒和指導(dǎo)作用。

[1] 郭愛煌, 傅君眉. 磁通門技術(shù)及其應(yīng)用[J]. 傳感器技術(shù), 2000, 19(04): 1-4.

[2] 朱萬華, 底青云, 劉雷松, 等. 基于磁通負(fù)反饋結(jié)構(gòu)的高靈敏度感應(yīng)式磁場(chǎng)傳感器研制[J]. 地球物理學(xué)報(bào), 2013, 56(11): 3683-3689.

[3] 王曉峰, 韓曉東, 楊敬軒. 恒定弱磁標(biāo)準(zhǔn)裝置設(shè)計(jì)原理[J]. 宇航計(jì)測(cè)技術(shù), 2007, 27(05): 26-30.

[4] 周斌, 王勁東, 趙華, 等. 螢火一號(hào)火星探測(cè)器磁通門磁強(qiáng)計(jì)高精度標(biāo)定技術(shù)[J]. 上海航天, 2013, 30(04): 179-182.

Analysis on the Noise Index Test of Fluxgate Magnetometer in Naval Ship Degaussing System

Zhang Di1, Han Song2, Yan Qifang3

(Unit 91315, Dalian 116041, China)

U674.7

A

1003-4862(2022)06-0024-04

2021-11-30

張迪（1981-），男，工程師。研究方向：艦艇消磁。E-mail: 16684050@qq.com