基于SQUID传感器的超导单通道磁力仪研制*

艾海明，蔡大鹏，米 旺，邓志安

（1.北京开放大学 科学技术学院，北京 100081；2.北京美尔斯通科技发展股份有限公司，北京 100086；3.哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001）

0 引言

地下金属物的出现必定引起地球磁场的变化而使金属物附近的磁场发生异常。如果能够检测到这种地下磁场异常，利用反演计算技术便可推断被检测目标的特征、运动轨迹和趋势，从而达到检测的目的［1，2］。但由于检测目标相对于地球形体而言十分渺小，其产生的磁场异常也十分微弱，且从频率特性分析，这些磁场异常几乎覆盖包括直流在内的整个电磁波谱，频率响应范围非常宽［3］。因此，磁场异常检测系统要求具备高灵敏度和宽动态范围。超导量子干涉器（superconduction quantum interference device，SQUID）是一种三维空间矢量传感器，其能量分辨率达到10－31J，磁场高分辨率可以达到10－15T，宽动态范围不小于107dB，且从直流到GHz 范围内频响一致性好［4］。超导磁力仪是继光泵磁力仪、原子磁力仪之后的灵敏度最高磁场异常检测系统［5～7］。由于超导磁力仪研制存在一定的技术难题，目前国内只有少数学者对该领域进行了应用研究工作［8～10］。

针对相关技术难题，本文研制了一种基于SQUID传感器的超导单通道磁力仪（以下简称磁力仪），其核心组件SQUID传感器是基于超导技术和量子力学原理，通过约瑟夫森结的磁通量子化过程，从而精确地检测出微弱的直流或交流磁场变化。该磁力仪初步实验结果表明，在地球物理学方面可实现地表电磁法测量，并能被制成地面磁力梯度仪，有望用于油气田和矿床等地下资源勘探。

1 总体方案设计

1.1 磁力仪工作原理

超导线圈感应不同方向的环境磁通，当有外磁场通过超导环时，由高频前放模块注入到LC 谐振回路中的射频信号被调制，被调制的信号经高频前放模块中的放大器放大后送入混频器解调，再经低频锁定读出模块中的积分器积分后，得到一个与磁通量呈比例关系的电压值，这个电压值经过电阻R反馈到与超导环耦合的电感上，在超导环内产生一个与外磁通量大小相等、方向相反的磁通，这样使超导环内的磁通为零。积分器输出的这个电压值反映了通过超导环的磁通量的大小，超导环的面积已知，就可得到对应磁场值如图1。

图1 磁力仪磁通电压锁相电路

1.2 总体结构框架

磁力仪总体架构包括控制单元、XYZ 单元、上位机、杜瓦瓶、SQUID探头、三轴SQUID 器件、信号端SQUID 器件、二阶微分梯度线圈和供电模块如图2。

图2 磁力仪总体架构框图

控制单元前端用于连接主机USB 接口和电源电压指示灯（LCD），后端用于连接电源装置插座和连接XYZ单元插座，其包含3 路空间坐标信号（Bx-SQUID、By-SQUID、Bz-SQUID）和1路源磁场信号（S-SQUID）。XYZ单元由数字、模拟控制电路组成，用于调整SQUID 电子设备、信号预处理并与控制单元微控制器通信。三轴SQUID 器件是3 个相互正交的SQUID传感器构成，用于记录磁力仪运动过程中地球磁场变化。信号端SQUID 器件由1 只SQUID 传感器构成，用于采集检测对象原始磁场信号源。杜瓦瓶内部充灌4.2 K液氦，为SQUID传感器中双晶结约瑟夫森效应提供超低温环境。二阶微分梯度线圈由2个反向连接的线圈串联构成，以消除检测对象远处磁场源干扰。

2 关键技术与解决方法

2.1 控制单元

控制单元主微控制器（CPU）由模拟、数字电路组成，共调理4路信号通道及捕获输出信号，通过RS—232 接口与XYZ单元交换命令和数据如图3，并通过USB2.0 接口与上位机进行通信，通信协议帧单个数据字节按照“选通信号—地址—命令—低位数据—高位数据”，主要通信协议命令有等待模式、锁频模式、偏置电流、信号校准和软件版本等。

图3 控制单元关键电路

2.2 XYZ单元

XYZ单元以数据传输率38 400 位／s 向控制单元提供磁场源信号，其2只数模转换器（digital to analog converter，DAC）分别产生偏置、偏移电压，控制三轴SQUID器件和信号端SQUID器件的电流源并自动设置SQUID 工作点例程如图4。此外，它通过数字控制电路加热SQUID 并切换SQUID器件工作模式即复位或磁通锁定回路（flux locked loop，FLL），其内部缓冲器放大SQUID器件输出信号。

图4 XYZ单元关键电路

2.3 无磁杜瓦瓶

由于磁力仪用于外部磁场测量，杜瓦瓶采用非金属、低磁化率玻璃纤维环氧树脂（G—10）材料，最大程度减少其与SQUID传感器和梯度线圈间互磁作用。内外壁之间空间被抽真空，以防止室温和制冷剂室之间热传导，固定于颈管上的隔热板可减少黑体辐射传热作用，在内外壁与隔热板之间放置多层高反射镀铝聚酯薄膜，进一步减少黑体辐射。

2.4 供电模块

低压降稳压器将交流电降压后整流、滤波，变成直流DC±12 V，交流端保险管F1过流熔断可有效防止后级设备故障拖累交流电网，后级F2、F3 过流熔断可有效防止后级电路因过流导致火灾情况发生，IC2 后级并联电阻R1 在断电后及时将电放干净，可有效避免电路误动作、电流倒灌、反向电压过大等情况出现。

2.5 核心算法

磁场异常检测软件系统采用自适应滤波算法和静磁学逆向求解算法，借助这些核心算法可对磁场信号测量结果反演出检测对象空间形状和位置。

2.5.1 自适应滤波算法

假设SQUID矢量传感器在地球空间初始角度为θi，空间转动角度为φij，地球直流磁场强度为Bei，则运动磁场噪声信号BM为

对于完全正交的三轴SQUID器件，则无其他信号与噪声干扰即

若SQUID矢量传感器响应检测对象信号向量Bs，由上式（2）可知总输出Boi为

检测对象信号幅值｜Bs｜下限为10－14T，｜BM｜通带最大值为10－10T，可知式（3）右侧第二项、第三项比第一项要低近6阶幅值，定量误差S定义为

式（5）可知只要向量ω取值正确，定量误差S便为0，向量ω自适应取值过程如图5。

2.5.2 静磁学逆向求解算法

所测磁梯度信号为全张量信号，设Ψ为任一观测点且空间坐标矢量为r ＝（rx，ry，rz），则其磁强矢量B和重力矢量G为

磁强矢量B和重力矢量G一阶梯度矩阵为

由欧拉线性关系可得出

由于矩阵D1，Γ1是正交矩阵，两者特征值为λ1，λ2，λ3；其磁梯度信号参数I1，I2，I3为空间不变量即大小不随坐标轴变化而变化，则有

波平面（kx，ky，0）均匀网格中［11］，Ψ测量信号傅里叶变换为F［Ψ］，其3个分量傅里叶变换为

式中 L为梯度线圈基底长度。

3 实验与分析

3.1 实验方案

野外无电磁干扰的空地挖出立方空洞体，在地表（XOY平面）下放置空间坐标（1，4，3）m 且半径为0.2 m 圆铁球，以XZ轴起平行共标识3 条检测路径，磁力仪SQUID 传感器依次匀速通过3 条检测路径如图6，每条检测路径记录时间为2 min。

图6 磁力仪实验方案示意

3.2 实验结果

单条检测路径记录到的SQUID信号一阶梯度等磁图、圆铁球逆向求解结果如图7，图7（a）左下角为色标，图7（b）以N个偶极子聚焦模拟球形体可准确重构出真实圆铁球的空间位置和形状。

图7 磁力仪圆铁球实验检测结果

4 结论

磁性异常的弱磁检测对象在传导介质（如土地、水）中位置不明，需根据空间测量点所测磁场值来判断其是否存在及大小、方位。为此，本文研制了超导单通道磁力仪，其核心技术采用SQUID 传感器和静磁学逆向求解算法。相比于其他算法，本文算法只需一个SQUID梯度计，节约了系统设计制造成本。圆铁球检测实验结果表明：本文的磁力仪稳定可靠，未来可用于基础设施安全检查和资源勘探等领域。