本文關鍵詞： 全張量磁梯度測量 DC-SQUID平面梯度計 探頭結(jié)構優(yōu)化 不平衡度修正 自動調(diào)控　出處：《吉林大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

【摘要】：作為最新一代的航空磁測技術,航空全張量磁梯度測量在地球物理勘探、軍事探潛、水下及地下未爆炸物檢測等方面具有許多獨特的優(yōu)勢,被譽為磁法勘探的下一次突破。DC-SQUID平面梯度計繼承了SQUID高靈敏度、低噪聲及寬頻帶的優(yōu)點,直接測量磁場的梯度值,對共模磁場有很強的抑制能力,可有效避免背景磁場噪聲對目標梯度信號的干擾,適于搭建磁梯度張量測量探頭。德國、美國、澳大利亞等國紛紛開展了卓有成效的基于DC-SQUID平面梯度計的航空全張量磁梯度測量系統(tǒng)的研究工作,其中,德國已成功研制了實用化產(chǎn)品,并在南非進行了多次測量任務,取得不錯的效果。本論文以國家“十二五”期間設立的“863計劃”項目子課題“航磁三分量矢量勘查系統(tǒng)與航磁全張量技術研究”為依托,針對高溫DC-SQUID平面梯度計應用于航空全張量磁梯度測量進行可行性研究,主要工作及成果如下:(1)高溫超導全張量磁梯度測量模型研究與系統(tǒng)設計。對全張量磁梯度測量原理以及DC-SQUID平面梯度計與磁強計的工作機理進行了研究,并深入分析了基于DC-SQUID平面梯度計的偏微分測量模型;在此基礎上,針對航空磁測過程中張量探頭坐標系不固定的情況,建立了基于地理坐標系的磁梯度張量動態(tài)測量模型;以該動態(tài)測量模型為基礎,研制了國內(nèi)首套基于高溫DC-SQUID平面梯度計的超導全張量磁梯度測量系統(tǒng)樣機。其中,各平面梯度計的靜噪水平優(yōu)于?)Hz(m100pT@1kHz。(2)高溫超導全張量磁梯度測量探頭幾何結(jié)構最優(yōu)化研究。DC-SQUID平面梯度計為矢量傳感器,其在張量探頭的布置方式(探頭結(jié)構參數(shù))影響著磁梯度張量5個獨立分量的測量分辨率,通過優(yōu)化張量探頭結(jié)構參數(shù)可以實現(xiàn)磁梯度張量的最佳測量效果。本文以平面梯度計的梯度分辨率為切入點,推導出5個獨立分量的分辨率與張量探頭結(jié)構參數(shù)之間的函數(shù)關系,以5個獨立分量相對分辨率的最大值為目標函數(shù)對張量探頭的結(jié)構參數(shù)進行優(yōu)化,得到了張量探頭的最佳結(jié)構參數(shù),即探頭最佳傾角為58.7°、1#梯度計在探頭坐標系xoy平面上的投影與x軸的夾角為±15°。該方法同樣適用于其他棱臺型張量探頭結(jié)構參數(shù)的優(yōu)化。(3)高溫DC-SQUID平面梯度計不平衡度修正方法研究。DC-SQUID平面梯度計存在本征不平衡度,對共模磁場的抑制能力有限。由于野外未屏蔽環(huán)境中的共模磁場高達數(shù)萬nT,不平衡度導致的共模噪聲將嚴重干擾目標梯度信號。本文利用RLS自適應擬合算法,以三軸磁強計測量值為參考量對梯度計共模噪聲進行自適應擬合,獲取共模噪聲相對于三軸磁強計測量值的修正向量;隨后基于該修正向量建立共模噪聲濾波器,利用同步采集的三軸磁強計測量值對梯度計測量信號進行濾波,實現(xiàn)了梯度計不平衡度的修正。野外地面實驗表明該方法將共模影響降低了2個量級。此外,由仿真實驗可知,該方法對不平衡度的修正精度與環(huán)境磁場的均勻度呈正相關,鑒于高空環(huán)境的磁場均勻度大于地表環(huán)境,理論上在高空中的修正精度會更高。(4)DC-SQUID工作狀態(tài)自動調(diào)控方法研究。航空磁測過程中,測量系統(tǒng)布置于飛行平臺下方幾十米的吊艙內(nèi)由飛行平臺拖拽著進行測量,操作人員無法觸及。針對這一特殊的布置方式,本文研制了數(shù)字式DC-SQUID測控單元,以上位機為控制終端,RS485為通信總線,MSP430單片機為控制媒介,驅(qū)動A/D轉(zhuǎn)換芯片、模擬開關、光電耦合器實現(xiàn)了DC-SQUID傳感器工作狀態(tài)的遠程調(diào)控。基于該硬件平臺,本文通過研究DC-SQUID最佳工作點自動設置算法實現(xiàn)了傳感器工作參數(shù)的自動設置,不僅減少了操作人員的工作量,更為后續(xù)的基于無人機平臺的全張量磁梯度測量系統(tǒng)的構建提供了技術積累。(5)高溫超導全張量磁梯度測量系統(tǒng)樣機室內(nèi)靜態(tài)性能參數(shù)測試與可行性驗證方法研究。搭建了室內(nèi)測試平臺,制定了針對各項性能參數(shù)的測試方法,并通過實驗獲得了樣機各測量通道的靜噪水平、靈敏度、動態(tài)范圍、帶寬、擺率等性能水平;在此基礎上,開展了磁異常體定位實驗,利用測量系統(tǒng)對運動的鋼絲鉗產(chǎn)生的磁異常進行測量,通過單點定位算法反演異常體的運動軌跡,反演結(jié)果與實際運動軌跡相符,從而驗證系統(tǒng)的有效性,為開展后續(xù)的動態(tài)性能參數(shù)測試與野外實驗甚至是實用型樣機的研制奠定了基礎。
[Abstract]:In this paper , the research work of magnetic gradient measurement system based on high - temperature superconductive whole - tensor magnetic gradient meter has been carried out in the paper , which is based on the principle of high - temperature superconducting whole tensor magnetic gradient measurement and the principle of magnetic gradient tensor measurement .

【學位授予單位】：吉林大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：P631.222

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本文編號：1528412