艦艇消磁系統磁通門磁強計噪聲指標測試淺析

張 迪，韓 松，閻齊方

艦艇消磁系統磁通門磁強計噪聲指標測試淺析

張 迪1，韓 松2，閻齊方3

（91315部隊，遼寧大連 116041）

噪聲水平在一定程度上決定了磁強計對磁場信號的檢測和識別能力。本文對艦艇消磁系統所采用的磁通門磁強計噪聲的形成機理、測試系統構建進行了研究分析，并介紹說明了工程上常用的評價標準及測試數據處理方法。

消磁系統 磁通門 磁強計 噪聲 測試

0 引言

磁通門磁強計又稱磁飽和磁強計，是利用高磁導率磁性材料的磁芯在交變激勵作用下產生周期性飽和與非飽和磁化效應，通過檢測磁芯感應線圈輸出的與被測磁場強度成正比的諧波(通常為二次諧波) 信號幅值，來實現磁場測量[1]。作為艦艇消磁系統重要組成的磁傳感器即為一套三分量磁通門磁強計。其功能是測量艦艇所處位置的地磁場信號。消磁系統控制儀將該信號作為控制信號用于及時調整消磁繞組中的電流，更好地降低艦艇磁場信號，以防御水中磁性魚、水雷等武器的攻擊以及空中磁性探測。磁傳感器靈敏度和準確性等指標直接影響到艦艇磁隱身性能。因此對磁通門磁強計性能指標特別是噪聲水平的研究測試，對于提高艦艇生命力和戰斗力都具有重要的現實意義。

1 噪聲形成的機理

磁通門磁強計是一種弱磁信號測量儀器，其噪聲水平在一定程度上決定了磁強計對磁場信號的檢測和識別能力，是衡量其性能優劣的一項重要限定性技術指標。

磁通門磁強計的噪聲是指當被測磁場不變時，磁強計輸出信號產生的短時間不規則隨機波動。它由分布于磁傳感器和電路中大量彼此相互獨立的隨機噪聲分量共同組成，主要包括：傳感器磁芯材料的磁疇壁跳躍產生的巴克豪森噪聲；材料溫度系數差異導致傳感器結構變形而引起的軸間耦合噪聲；材料電磁參數的差異、裝配結構的非對稱性導致的變壓器效應噪聲；電路的激勵信號、感應信號中有害諧波干擾噪聲；導體自由電子無規則熱運動產生的熱噪聲；半導體器件載流子隨機波動產生的散粒、霰彈、閃爍、暗電流噪聲等[2]。

2 噪聲測試系統

作為一種高靈敏度弱磁信號測量儀器，磁通門磁強計對其所處環境中各種背景磁場的變化十分敏感。因此，測試噪聲指標應在磁場強度近似為零的所謂“零磁空間”中進行，以盡量消除背景磁場對測試的“干擾”。通常采用磁屏蔽、磁補償等方式構建“零磁空間”，將待測磁強計傳感器置于其中，檢測磁強計的輸出即認為是噪聲。典型的基于“零磁空間”的磁強計噪聲測試系統構成如圖1所示。

圖1 噪聲測試系統示意圖

磁屏蔽裝置用于對背景磁場進行衰減。磁屏蔽裝置通常由多層高磁導率磁性材料(如坡莫合金、鐵鎳合金)制成，具有很高的磁屏蔽系數(屏蔽前后磁場之比)，可在其內部中心區域形成一個相對均勻、穩定的低磁空間(如圖2)。磁屏蔽裝置的屏蔽系數與其材料、形狀、尺寸、層數、厚度等密切相關，例如臥式圓柱筒形磁屏蔽裝置的徑向屏蔽系數遠大于軸向屏蔽系數，故在對地磁場進行屏蔽時，將其徑向對準南北方向水平放置，則可起到更好的屏蔽效果。

圖2 磁場屏蔽示意圖

磁補償系統用于對磁屏蔽裝置內的剩余磁場做進一步動態反向等幅補償，其通常由具有超高分辨力和靈敏度的標準磁強計(如質子磁強計、光泵磁強計)、驅動控制電路、高精度電流源、補償線圈組成，可提高“零磁空間”等級[3]。其中，補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償線圈外側磁場的耦合效應所導致的內部磁場畸變，補償線圈多采用無矩式結構設計（如圖3），即給線圈反向串聯一組與其結構相同、尺寸略小的線圈，兩組線圈外部磁場互相抵消，線圈的磁矩近乎于零。

圖3 無矩線圈結構示意圖

利用定位設備將磁傳感器精確安放在“零磁空間”中心處的無磁轉臺上，電源及信號由無磁屏蔽線纜引入(出)，并使用現代示波器、頻譜(信號)分析儀等專業檢測設備；或由專業軟件開發的可視化應用程序、數據采集卡、信號調理電路等構成的計算機虛擬測試系統進行測試和數據處理分析。

此外，在對精度等級較高的磁強計進行噪聲指標測試時，還應對“零磁空間”的溫度、濕度、真空度等物理條件、測試設備的電磁防護、供電品質等采取必要控制措施，以避免引入干擾量。

3 噪聲的評價指標

4 噪聲測試的算法實現

4.1 數據的預處理

4.2 峰-峰值和均方根值

噪聲的峰-峰值和均方根值是時域內的兩種直觀的評價指標。其中，均方根值反映了儀器帶寬內所有頻率點總噪聲的有效值，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 自相關法

4.3.2 周期圖法

5 結束語

本文對磁通門磁強計噪聲的形成機理、噪聲測試系統的構建、常用噪聲水平評價指標及其確定方法進行了分析介紹，重點對功率譜密度指標的兩種算法（自相關法和周期圖法）的基本原理、計算過程進行了說明。按文中所述構建完備的檢測條件，選擇合適的數據處理方法能夠便捷高效準確地完成磁通門磁強計噪聲性能指標測試，并可根據測試結果采取相應措施不斷提升磁強計的靈敏度和精確性。這對于艦艇消磁系統磁通門傳感器的設計測試、生產檢驗和修理調試等工作具有很強的借鑒和指導作用。

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

[2] 朱萬華, 底青云, 劉雷松, 等. 基于磁通負反饋結構的高靈敏度感應式磁場傳感器研制[J]. 地球物理學報, 2013, 56(11): 3683-3689.

[3] 王曉峰, 韓曉東, 楊敬軒. 恒定弱磁標準裝置設計原理[J]. 宇航計測技術, 2007, 27(05): 26-30.

[4] 周斌, 王勁東, 趙華, 等. 螢火一號火星探測器磁通門磁強計高精度標定技術[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