光泵磁力儀的主要技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試方法

宗發(fā)保 鄒鵬毅 顧建松 陳恩 黃成功 張謹(jǐn)

（第七一五研究所，杭州，310023）

光泵磁力儀的主要技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試方法

宗發(fā)保 鄒鵬毅 顧建松 陳恩 黃成功 張謹(jǐn)

（第七一五研究所，杭州，310023）

介紹光泵磁力儀的主要技術(shù)指標(biāo)定義，并對(duì)其中的重要指標(biāo)：帶寬、靜態(tài)噪聲、轉(zhuǎn)向差等的測(cè)試方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。這些技術(shù)指標(biāo)和測(cè)試方法被應(yīng)用于某型磁力儀的測(cè)試中，可供相關(guān)研究單位和技術(shù)人員參考使用。

光泵磁力儀；技術(shù)指標(biāo)定義；測(cè)試方法

光泵磁力儀是以工作物質(zhì)原子在磁場(chǎng)中發(fā)生的塞曼能級(jí)分裂為基礎(chǔ)，結(jié)合光泵作用和磁共振現(xiàn)象研制而成的磁力儀［1］，在航空物探、航空反潛、海洋磁測(cè)工程中有著廣泛的應(yīng)用。目前，國(guó)內(nèi)使用較廣泛的光泵磁力儀有由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所生產(chǎn)的多型氦光泵磁力儀、由加拿大Scintrex公司生產(chǎn)的CS-3型銫光泵磁力儀、由美國(guó)Geometrics公司生產(chǎn)的G858型地面銫光泵磁力儀和G880/G882型銫光泵磁力儀等。

在國(guó)內(nèi)外廠家給出的光泵磁力儀技術(shù)手冊(cè)中，常存在技術(shù)指標(biāo)不全面、個(gè)別概念混淆不清的情況，如分辨率與顯示分辨率混淆、靈敏度與噪聲水平混淆等。本文介紹了光泵磁力儀的主要技術(shù)指標(biāo)定義、重要技術(shù)指標(biāo)的測(cè)試方法，并已應(yīng)用于某型磁力儀的測(cè)試，可供相關(guān)研究單位和技術(shù)人員參考使用。

1　主要技術(shù)指標(biāo)的定義

光泵磁力儀的主要技術(shù)指標(biāo)包含采樣率（采樣時(shí)間）、帶寬、顯示分辨率、分辨率、四階差分靜態(tài)噪聲、峰峰值噪聲、功率譜噪聲、靈敏度、量程、絕對(duì)誤差、漂移、一致性、轉(zhuǎn)向差、死區(qū)范圍等。

· 采樣率是指磁力儀每秒輸出/顯示的磁場(chǎng)值的個(gè)數(shù)，單位為Hz。采樣時(shí)間是采樣率的倒數(shù)，單位為s或ms。在航空和海洋磁測(cè)中，磁力儀采樣率決定了相鄰兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的間隔，間接決定了磁測(cè)作業(yè)的效率，較高的采樣率也有利于防止較高頻率信號(hào)帶來(lái)的混疊。在航磁測(cè)量中，采樣率通常為5 Hz［2］或10 Hz。

· 帶寬代表著磁力儀響應(yīng)外界磁場(chǎng)變化快慢程度，帶寬越高表示響應(yīng)越快，單位為Hz。通常采用與低通濾波類(lèi)似的-3 dB帶寬作為磁力儀的帶寬。磁力儀輸出的采樣點(diǎn)實(shí)質(zhì)上是當(dāng)前采樣周期內(nèi)的平均值，當(dāng)采樣率很低（≤1 Hz）時(shí)，磁力儀的帶寬主要受采樣率限制。

· 顯示分辨率是指磁力儀輸出/顯示數(shù)據(jù)的有效位數(shù)。某臺(tái)磁力儀輸出磁場(chǎng)值為48 000.001 nT，則其顯示分辨率為0.001 nT。

· 分辨率是指磁力儀能反映外界磁場(chǎng)變化的最小量，即將磁力儀置于足夠緩慢變化的磁場(chǎng)中時(shí)，其相鄰兩個(gè)磁場(chǎng)值的變化量。國(guó)內(nèi)有不少單位誤將顯示分辨率或計(jì)數(shù)器分辨率作為儀器的分辨率。

· 四階差分靜態(tài)噪聲Sn是文獻(xiàn)［2］中規(guī)定的關(guān)于航磁儀的地面靜態(tài)噪聲評(píng)價(jià)指標(biāo)。在磁力儀以不低于2 Hz的采樣率連續(xù)記錄下不少于30 min數(shù)據(jù)，按式（1）計(jì)算出四階差分靜態(tài)噪聲。

上式中，n為參加計(jì)算的觀測(cè)點(diǎn)數(shù)；i=1，2…n為數(shù)據(jù)序列號(hào)；的單位均為nT。四節(jié)差分靜態(tài)噪聲Sn很靈敏地將諸如尖峰、跳變及雜亂形式的錯(cuò)誤數(shù)據(jù)提取反映出來(lái)［3］。Sn值越小代表曲線越光滑。

· 峰峰值噪聲是指一段數(shù)據(jù)的最大值與最小值的差值，是磁力儀噪聲最直觀的反映，但其隨機(jī)性比較大，已很少直接使用。當(dāng)前使用最多的是特定頻帶特定時(shí)間段內(nèi)的峰峰值噪聲及其概率分布特性。

· 功率譜噪聲是指噪聲功率譜密度，代表單位頻帶內(nèi)的噪聲功率。通常用某頻率點(diǎn)處的功率譜幅度表示。功率譜噪聲是最為全面反映磁力儀噪聲水平的技術(shù)指標(biāo)，但其直觀程度低，且無(wú)法與峰峰值噪聲直接對(duì)應(yīng)。

· 靈敏度是指儀器測(cè)量最小被測(cè)量的能力。不同廠家對(duì)靈敏度的定義不盡相同，在比較兩個(gè)產(chǎn)品的靈敏度前還需要確定兩臺(tái)產(chǎn)品是否采用了統(tǒng)一定義，因此靈敏度的應(yīng)用范圍越來(lái)越少。目前，大家較為統(tǒng)一的把分辨率或系統(tǒng)噪聲作為儀器的靈敏度。

· 量程是光泵磁力儀所能正常工作的環(huán)境磁場(chǎng)的最小值和最大值。

· 絕對(duì)誤差是光泵磁力儀輸出磁場(chǎng)值與供給標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)值的差值，由自身誤差和漂移等組成。

· 漂移通常包含隨時(shí)間的漂移和隨溫度的漂移，是日變儀器需要重點(diǎn)考慮的技術(shù)指標(biāo)。

· 一致性是指兩臺(tái)光泵磁力儀在相同環(huán)境磁場(chǎng)下的輸出磁場(chǎng)值之差，受絕對(duì)誤差、漂移和環(huán)境磁場(chǎng)梯度等因素影響。

· 轉(zhuǎn)向差是在恒定不變的磁場(chǎng)中由探頭方向改變帶來(lái)的磁場(chǎng)值變化，包含了測(cè)量方法本身的轉(zhuǎn)向差和探頭磁性結(jié)構(gòu)部件帶來(lái)的轉(zhuǎn)向差兩個(gè)部分。

· 光泵探頭主軸與地磁場(chǎng)方向處于某個(gè)角度時(shí)，探頭將不能正常工作或性能無(wú)法達(dá)到預(yù)期指標(biāo)的范圍被叫做死區(qū)范圍，由測(cè)量方法和探頭組成共同決定。

2　重要指標(biāo)的測(cè)試方法

2.1帶寬測(cè)試

光泵磁力儀的帶寬測(cè)試示意圖如圖1所示，包含了信號(hào)源、亥姆赫茲線圈、磁力儀探頭和主機(jī)、數(shù)據(jù)記錄與顯示等設(shè)備。

圖1　光泵磁力儀的帶寬測(cè)試示意圖

光泵磁力儀進(jìn)行帶寬測(cè)試步驟：（1）按圖1連接好設(shè)備，將亥姆赫茲線圈置于光泵探頭附近；（2）先固定信號(hào)源輸出頻率為0.1 Hz，調(diào)節(jié)信號(hào)源輸出幅度V0直到磁力儀輸出交流磁場(chǎng)的幅值為20～50 nT；保持信號(hào)源輸出幅度V0不變，調(diào)節(jié)其頻率fi從0.01～5 Hz，依次記錄下磁力儀輸出交流磁場(chǎng)的幅值A(chǔ)i（i=1，2…N，N可取20）；將一系列點(diǎn)連接起來(lái)，形成磁力儀的幅頻特性曲線，其-3 dB處對(duì)應(yīng)的頻率fBW即為磁力儀的帶寬。

2.2靜態(tài)噪聲測(cè)試

光泵磁力儀的靜態(tài)噪聲測(cè)試包含數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理兩個(gè)階段，測(cè)試數(shù)據(jù)要求連續(xù)記錄不少于30 min，其采集方法有：（1）單臺(tái)直接采集，將待測(cè)試的單臺(tái)磁力儀置于野外遠(yuǎn)離輸電線、公路的地方，將日變/干擾較小時(shí)段記錄磁場(chǎng)值作為測(cè)試數(shù)據(jù)；（2）兩臺(tái)同時(shí)采集，一臺(tái)為待測(cè)試磁力儀，一臺(tái)為噪聲更低的標(biāo)準(zhǔn)磁力儀，最后將兩臺(tái)磁力儀磁場(chǎng)值的差值作為測(cè)試數(shù)據(jù)；（3）在地磁穩(wěn)場(chǎng)裝置中采集，將待測(cè)試磁力儀置于地磁穩(wěn)場(chǎng)裝置中，消除外界磁干擾，將原始數(shù)據(jù)直接作為測(cè)試數(shù)據(jù)。

第（1）種方式最容易實(shí)現(xiàn)，但測(cè)試數(shù)據(jù)中還包含了地磁日變；第（2）種方式需要一臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)磁力儀，能消除日變的影響，實(shí)現(xiàn)也較為容易；第（3）種方式的測(cè)試數(shù)據(jù)最為客觀反映磁力儀本身噪聲，但需要地磁穩(wěn)場(chǎng)裝置。

測(cè)試數(shù)據(jù)還需要經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理才能獲得磁力儀靜態(tài)噪聲的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，包括四階差分靜態(tài)噪聲、功率譜噪聲、0.06～0.4 Hz頻帶內(nèi)300 s內(nèi)任意連續(xù)30 s的峰峰值噪聲及分布，其數(shù)據(jù)處理過(guò)程如圖2所示。

圖2　靜態(tài)噪聲測(cè)試數(shù)據(jù)處理過(guò)程

通常，磁力儀的噪聲滿足正態(tài)分布（高斯分布），需要根據(jù)正態(tài)分布的模型擬合出其噪聲的均值μ和方差σ，并將95%概率置信區(qū)間（μ±3σ）作為磁力儀峰峰值噪聲的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

2.3轉(zhuǎn)向差測(cè)試

轉(zhuǎn)向差測(cè)試時(shí)，需要選擇地磁梯度很小的地方，將光泵探頭固定在無(wú)磁旋轉(zhuǎn)架上，轉(zhuǎn)動(dòng)支架使探頭旋轉(zhuǎn)一周，記錄下磁力儀輸出磁場(chǎng)值變化峰峰值記為轉(zhuǎn)向差。

3　結(jié)語(yǔ)

本文介紹的技術(shù)指標(biāo)和測(cè)試方法已被應(yīng)用于某型磁力儀的測(cè)試中，并由中國(guó)計(jì)量學(xué)院出具了測(cè)試報(bào)告，可供相關(guān)研究單位和技術(shù)人員參考使用，以達(dá)到統(tǒng)一光泵磁力儀技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試方法的目的。此外，所述技術(shù)指標(biāo)及測(cè)試方法可被參考應(yīng)用于Overhauser、質(zhì)子等總場(chǎng)磁力儀，后續(xù)將開(kāi)展多類(lèi)型多臺(tái)磁力儀的技術(shù)指標(biāo)測(cè)試與對(duì)比試驗(yàn)，聯(lián)合業(yè)內(nèi)相關(guān)單位編寫(xiě)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

本文是在吳文福研究員的細(xì)心指導(dǎo)下完成的，對(duì)其他所有參與測(cè)試試驗(yàn)的人員在此一并表示感謝。

［1］ 鄒鵬毅，羅深榮，顧建松. 兩型光泵磁力儀比對(duì)試驗(yàn)結(jié)果及分析［J］.聲學(xué)與電子工程，2010，（2）：35-37.

［2］ 中國(guó)國(guó)土資源航空物探遙感中心. 航空磁測(cè)技術(shù)規(guī)范： DZ/T 0142-2010［S］. 北京： 中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

［3］ 李大明，徐國(guó)華. 四階差分法在高精度磁測(cè)中的應(yīng)用［J］. 物探與化探，1990，（14）：42-46.