一种磁场梯度差分信号的检测方法

技术领域

本发明涉及一种磁场梯度差分信号的检测方法，属于磁场精密测量技术领域。

背景技术

目前测量磁场的方式有很多种，包括基于超导量子干涉效应的SQUID磁力仪、基于自旋磁矩的原子磁力仪、基于霍尔效应以及基于磁阻效应和磁感应效应的磁力仪等。在这些测量方法中，SQUID磁力仪和原子磁力仪是目前公认的高灵敏度磁力仪。

磁场测量生物磁测量、地质勘探、磁异常测量、无损检测、考古等领域具有广泛的应用。在这些应用中，很多时候需要在大背景磁场下检测磁场的梯度，从而反演磁源信息。

当需要测量磁场梯度时，通常的做法是在两个不同的位置布置探头，将测量结果相减得到磁场差分信号。这种方法在SQUID磁力仪和原子磁力仪中都有应用。SQUID磁力仪通过逆向绕制的感应线圈或者超导环，实现背景共模磁通的抵消，从而测量磁场的梯度。这种方法虽然只输出梯度信号，但是本质上在信号相减之前，对总场的响应系数与对梯度的响应系数仍然相等，因此线圈面积和平行度的差异会直接造成共模抑制比的降低。另外SQUID方法需要液氦低温致冷，设备庞大，成本昂贵，并且具有较高的日常维护费用。这些缺点限制了SQUID梯度磁力仪的应用。

原子磁力仪有很多种敏感方式，包括零场下的SERF磁力仪、Mx磁力仪、Bell-Bloom磁力仪、自由振荡衰减磁力仪和RF磁力仪等。原子磁力仪不需要液氦低温环境，可以实现小体积测量，相对于SQUID磁力仪具有明显的优点。但是当采用原子磁力仪进行梯度测量时，有两种方式，一种是在光信号转变成电压信号之前直接相减，比如在两个气室中间插入二分之一波片实现旋光角的直接相减。这种方式与SQUID类似，本质上在信号相减之前，对总场的响应系数与对梯度的响应系数仍然相等，因此对两个测试环节一致性的要求很高。相比SQUID磁力仪，实现难度更大。另种更常见的方式是首先测量两个位置各自的环境磁场大小，然后相减得到梯度磁场。该方法与光信号直接做差的方法相比，技术成熟度更高。但是由于在信号相减之前，对总磁场和对梯度磁场的敏感系数相同，因此不论从模拟输出还是AD转换的角度，量程和灵敏度之间的固有矛盾都会制约了原子磁场梯度仪的敏度的提升。如何在现有原子自旋磁场检测方法的基础上，实现对共模环境磁场的低敏感系数和对差模梯度磁场的高敏感系数，是提高原子磁场梯度仪性能面临的一个关键问题。

发明内容

本发明解决的技术问题：在磁场梯度差分测量中，对总磁场的敏感系数与对梯度磁场的敏感系数相同，因此不论采用底层磁通差分或者旋光交角差分形式，还是首先测量总磁场后再相减，都要求两者的敏感系数相等或尽可能一致。两者相对差异的决定了共模抑制比。对于后一种情况，还存在量程和灵敏度之间的矛盾，限制了灵敏度的改善。本发明针对上述问题，提供一种磁场梯度差分信号的检测方法，该方法通过反馈系统将总磁场共模信号和梯度差分信号进行分离，实现对总磁场共模信号低的敏感系数和对梯度差分信号高的敏感系数。仿真结果表明，在两个测量通道敏感系数的相对差为1％的情况下，该方法可以获得10

本发明的技术解决方案：本发明给出一种磁场梯度差分信号的检测方法，该方法需要在两个位置设置两个磁场敏感表头，具体的敏感方式可以是Mx方式、Mz方式、Bell-Bloom方式、自由衰减振荡方式、RF射频磁场检测方式、自激励振荡方式或者SQUID和磁通门等其他非气态自旋检测方法，这些方法的共同特点是将磁场信号转换为电信号。从测试系统的角度，就是两个并行的前向通道，理想情况下，这两个通道的传递函数完全相同。另外该方法需要一个共同的反馈模块，该反馈模块可以是均匀区能覆盖两个磁场敏感表头的线圈，或者串联在一起的均匀区单独覆盖一个表头的两个参数完全相同线圈，或者一个共用的频率控制模块等。从测试系统的角度，就是一个共用的反馈通道。工作过程中，首先利用加法器将两个敏感表头输出的电压信号进行相加作为反馈信号，该信号在输入到共用的反馈模块上，反馈模块的输出与共模信号进行相减，实现闭环。同时利用减法器将两个敏感表头的输出相减，作为梯度磁场的测量输出信号。

通过对本发明给出的一种磁场梯度差分信号检测方法的传递函数进行分析可知，两个敏感头的输出对共模信号的传递函数为：

其中A(s)为两个并行前向通道传递函数，F(s)为共用的反馈通道的传递函数。

两个敏感头的输出对差模梯度信号的传递函数分别为，

和

比较两个敏感头对共模总磁场信号的传递函数和对差分梯度磁场信号的传递函数可以看出：(1)在深度负反馈情况下，对差分梯度磁场信号的敏感系数的绝对值约等于

当两个敏感头的敏感系数，也就是两个前向通道的增益不相等时，共模抑制比即为对共模信号的响应系数与差模信号的响应系数之比，该值可以通过数值仿真进行计算。图2所示为基于Simulink模型的仿真计算结果，计算所采用的前向通道增益分别为101和100，反馈通道增益为5，结果表明，即便是在差分环节8之前的信号，仍然有接近1000的共模抑制比。而在差分之后，可以达到10

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明所给出的方法与传统测量两个位置共模总磁场之后再相减的方法相比，最终相减之前的信号对共模非梯度信号的响应系数远小于对差模梯度信号的响应系数，消除了传统方法中量程和灵敏度之间的矛盾。

(2)本发明给出的方法与底层磁通或旋光角差分方法相比，在两个测量通道响应系数存在同等差异的情况下，具有更高的差模抑制比。

(3)如采用基于原子自旋的检测方法，本发明所给出的方法相比于旋光角差分方法，更易于实现，并且可以应用于各种原子磁力仪敏感机制。

附图说明

图1为本发明测量方法的Simulink模型。

图中标记含义为：1为共模总磁场输入，2为差模磁场梯度输入，3为加法器，4为一个通道的前向传递函数，5为另一个通道的前向传递函数，6为反馈通道的增益，7为加法器，8为减法器，9为信号接收观测器，10为减法器8的输出，11为加法器7的输出，12为减法器运算前第二个敏感单元的前向通道的输出。

图2为采用图1所示的Simulink模型进行仿真计算的结果，仿真过程中4和5的静态增益分别为101和100，6的增益为5。

图中图例给出了不同的仿真结果，含义为：From 1to 4表示第一个通道前向输出对共模总磁场输入的幅值响应，考虑对称性，From 1to 5与From 1to 4完全相同；From 2to4表示第一个通道前向输出对差模梯度磁场输入输入的幅值响应，From 2to5表示第二个通道前向输出对差模梯度磁场输入的幅值响应。从仿真结果看，在通频带内，不管是第一个通道还是第二个通道的输出信号，对共模总磁场的响应系数均比对差模梯度磁场的响应系数小约3个量级。

图中From 1to 10表示最终差分输出对共模总磁场输入的幅值响应，From 2to 10表示最终差分输出对差模梯度磁场输入的幅值响应。可以看出，在两通道增益相差1％的情况下，最终的差分输出具有10

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

如图1所示，一种磁场梯度差分信号的检测方法，该方法有两个敏感模块4和5，这两个模块将待测磁场信号转换为电压信号。具体的物理机制可以是不同种类的原子自旋检测方式，或者SQUID和磁通门等检测方式。在本实施例中采用Mx检测方式，已知总磁场方向，测量磁场标量的大小，模块4和5的传递函数分别为

和

在本实施例中，反馈环节6包含PID控制，采用均匀区覆盖模块4和5对应的敏感头的亥姆霍兹线圈产生RF激励信号。

具体实施步骤如下：

首先独立调整A

测试标定时将模块4和5的差作为测量输出。将整个装置放在磁屏蔽桶内，施加特定频率的共模总磁场，测试输出对共模信号的响应系数；再施加设定的梯度值，测试输出对磁场梯度的响应系数；两者相比即为共模抑制比。

在上述实施例中，如果直接将两个敏感模块都进行频率锁定，之后采用计数器进行频率测量，表面上看两个敏感模块具有相同的响应系数，即旋磁比。但是RF激励信号之间会存在相互干扰，降低最终的共模抑制比。对于只能输出电压的敏感方式，比如单光束调制方式等，本发明所给出方法则具有更明显的优势。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。