基于SQUID傳感器的超導單通道磁力儀研制*

艾海明，蔡大鵬，米 旺，鄧志安

（1.北京開放大學 科學技術學院，北京 100081；2.北京美爾斯通科技發展股份有限公司，北京 100086；3.哈爾濱工程大學 信息與通信工程學院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

地下金屬物的出現必定引起地球磁場的變化而使金屬物附近的磁場發生異常。如果能夠檢測到這種地下磁場異常，利用反演計算技術便可推斷被檢測目標的特征、運動軌跡和趨勢，從而達到檢測的目的［1，2］。但由于檢測目標相對于地球形體而言十分渺小，其產生的磁場異常也十分微弱，且從頻率特性分析，這些磁場異常幾乎覆蓋包括直流在內的整個電磁波譜，頻率響應范圍非常寬［3］。因此，磁場異常檢測系統要求具備高靈敏度和寬動態范圍。超導量子干涉器（superconduction quantum interference device，SQUID）是一種三維空間矢量傳感器，其能量分辨率達到10－31J，磁場高分辨率可以達到10－15T，寬動態范圍不小于107dB，且從直流到GHz 范圍內頻響一致性好［4］。超導磁力儀是繼光泵磁力儀、原子磁力儀之后的靈敏度最高磁場異常檢測系統［5～7］。由于超導磁力儀研制存在一定的技術難題，目前國內只有少數學者對該領域進行了應用研究工作［8～10］。

針對相關技術難題，本文研制了一種基于SQUID傳感器的超導單通道磁力儀（以下簡稱磁力儀），其核心組件SQUID傳感器是基于超導技術和量子力學原理，通過約瑟夫森結的磁通量子化過程，從而精確地檢測出微弱的直流或交流磁場變化。該磁力儀初步實驗結果表明，在地球物理學方面可實現地表電磁法測量，并能被制成地面磁力梯度儀，有望用于油氣田和礦床等地下資源勘探。

1 總體方案設計

1.1 磁力儀工作原理

超導線圈感應不同方向的環境磁通，當有外磁場通過超導環時，由高頻前放模塊注入到LC 諧振回路中的射頻信號被調制，被調制的信號經高頻前放模塊中的放大器放大后送入混頻器解調，再經低頻鎖定讀出模塊中的積分器積分后，得到一個與磁通量呈比例關系的電壓值，這個電壓值經過電阻R反饋到與超導環耦合的電感上，在超導環內產生一個與外磁通量大小相等、方向相反的磁通，這樣使超導環內的磁通為零。積分器輸出的這個電壓值反映了通過超導環的磁通量的大小，超導環的面積已知，就可得到對應磁場值如圖1。

圖1 磁力儀磁通電壓鎖相電路

1.2 總體結構框架

磁力儀總體架構包括控制單元、XYZ 單元、上位機、杜瓦瓶、SQUID探頭、三軸SQUID 器件、信號端SQUID 器件、二階微分梯度線圈和供電模塊如圖2。

圖2 磁力儀總體架構框圖

控制單元前端用于連接主機USB 接口和電源電壓指示燈（LCD），后端用于連接電源裝置插座和連接XYZ單元插座，其包含3 路空間坐標信號（Bx-SQUID、By-SQUID、Bz-SQUID）和1路源磁場信號（S-SQUID）。XYZ單元由數字、模擬控制電路組成，用于調整SQUID 電子設備、信號預處理并與控制單元微控制器通信。三軸SQUID 器件是3 個相互正交的SQUID傳感器構成，用于記錄磁力儀運動過程中地球磁場變化。信號端SQUID 器件由1 只SQUID 傳感器構成，用于采集檢測對象原始磁場信號源。杜瓦瓶內部充灌4.2 K液氦，為SQUID傳感器中雙晶結約瑟夫森效應提供超低溫環境。二階微分梯度線圈由2個反向連接的線圈串聯構成，以消除檢測對象遠處磁場源干擾。

2 關鍵技術與解決方法

2.1 控制單元

控制單元主微控制器（CPU）由模擬、數字電路組成，共調理4路信號通道及捕獲輸出信號，通過RS—232 接口與XYZ單元交換命令和數據如圖3，并通過USB2.0 接口與上位機進行通信，通信協議幀單個數據字節按照“選通信號—地址—命令—低位數據—高位數據”，主要通信協議命令有等待模式、鎖頻模式、偏置電流、信號校準和軟件版本等。

圖3 控制單元關鍵電路

2.2 XYZ單元

XYZ單元以數據傳輸率38 400 位／s 向控制單元提供磁場源信號，其2只數模轉換器（digital to analog converter，DAC）分別產生偏置、偏移電壓，控制三軸SQUID器件和信號端SQUID器件的電流源并自動設置SQUID 工作點例程如圖4。此外，它通過數字控制電路加熱SQUID 并切換SQUID器件工作模式即復位或磁通鎖定回路（flux locked loop，FLL），其內部緩沖器放大SQUID器件輸出信號。

圖4 XYZ單元關鍵電路

2.3 無磁杜瓦瓶

由于磁力儀用于外部磁場測量，杜瓦瓶采用非金屬、低磁化率玻璃纖維環氧樹脂（G—10）材料，最大程度減少其與SQUID傳感器和梯度線圈間互磁作用。內外壁之間空間被抽真空，以防止室溫和制冷劑室之間熱傳導，固定于頸管上的隔熱板可減少黑體輻射傳熱作用，在內外壁與隔熱板之間放置多層高反射鍍鋁聚酯薄膜，進一步減少黑體輻射。

2.4 供電模塊

低壓降穩壓器將交流電降壓后整流、濾波，變成直流DC±12 V，交流端保險管F1過流熔斷可有效防止后級設備故障拖累交流電網，后級F2、F3 過流熔斷可有效防止后級電路因過流導致火災情況發生，IC2 后級并聯電阻R1 在斷電后及時將電放干凈，可有效避免電路誤動作、電流倒灌、反向電壓過大等情況出現。

2.5 核心算法

磁場異常檢測軟件系統采用自適應濾波算法和靜磁學逆向求解算法，借助這些核心算法可對磁場信號測量結果反演出檢測對象空間形狀和位置。

2.5.1 自適應濾波算法

假設SQUID矢量傳感器在地球空間初始角度為θi，空間轉動角度為φij，地球直流磁場強度為Bei，則運動磁場噪聲信號BM為

對于完全正交的三軸SQUID器件，則無其他信號與噪聲干擾即

若SQUID矢量傳感器響應檢測對象信號向量Bs，由上式（2）可知總輸出Boi為

檢測對象信號幅值｜Bs｜下限為10－14T，｜BM｜通帶最大值為10－10T，可知式（3）右側第二項、第三項比第一項要低近6階幅值，定量誤差S定義為

式（5）可知只要向量ω取值正確，定量誤差S便為0，向量ω自適應取值過程如圖5。

2.5.2 靜磁學逆向求解算法

所測磁梯度信號為全張量信號，設Ψ為任一觀測點且空間坐標矢量為r ＝（rx，ry，rz），則其磁強矢量B和重力矢量G為

磁強矢量B和重力矢量G一階梯度矩陣為

由歐拉線性關系可得出

由于矩陣D1，Γ1是正交矩陣，兩者特征值為λ1，λ2，λ3；其磁梯度信號參數I1，I2，I3為空間不變量即大小不隨坐標軸變化而變化，則有

波平面（kx，ky，0）均勻網格中［11］，Ψ測量信號傅里葉變換為F［Ψ］，其3個分量傅里葉變換為

式中 L為梯度線圈基底長度。

3 實驗與分析

3.1 實驗方案

野外無電磁干擾的空地挖出立方空洞體，在地表（XOY平面）下放置空間坐標（1，4，3）m 且半徑為0.2 m 圓鐵球，以XZ軸起平行共標識3 條檢測路徑，磁力儀SQUID 傳感器依次勻速通過3 條檢測路徑如圖6，每條檢測路徑記錄時間為2 min。

圖6 磁力儀實驗方案示意

3.2 實驗結果

單條檢測路徑記錄到的SQUID信號一階梯度等磁圖、圓鐵球逆向求解結果如圖7，圖7（a）左下角為色標，圖7（b）以N個偶極子聚焦模擬球形體可準確重構出真實圓鐵球的空間位置和形狀。

圖7 磁力儀圓鐵球實驗檢測結果

4 結論

磁性異常的弱磁檢測對象在傳導介質（如土地、水）中位置不明，需根據空間測量點所測磁場值來判斷其是否存在及大小、方位。為此，本文研制了超導單通道磁力儀，其核心技術采用SQUID 傳感器和靜磁學逆向求解算法。相比于其他算法，本文算法只需一個SQUID梯度計，節約了系統設計制造成本。圓鐵球檢測實驗結果表明：本文的磁力儀穩定可靠，未來可用于基礎設施安全檢查和資源勘探等領域。