原子磁力仪的空间应用及发展趋势

在太空探索中,磁场测量为很多重要的科学研究提供了数据支撑。空间探测器和磁测卫星均多次采用原子磁力仪作为磁场测量的主载荷,原子磁力仪在空间磁场测量中发挥着不可替代的作用。回顾了用于空间磁场测量的原子磁力仪的发展历程,总结了不同种类原子磁力仪的技术特点,分析了空间应用原子磁力仪载荷的发展趋势。     

航空磁探中水下目标三维积分方程磁场建模

为获取航空磁探中水下铁磁性目标的空间磁场分布,通过三维积分方程法的基本原理推导出空间磁场的解析式,根据矢量恒等式和高斯散度定理简化空间磁场计算式,建立水下铁磁性目标空间磁场预测模型。通过铁磁性长方体对模型进行理论验证,使用铯光泵磁力仪测量铁磁性长旋转椭球体的高空磁场;然后,基于预测模型推算铁磁性长旋转椭球体的磁场,根据实际测量的磁场数据和预测值进行比较。结果表明,预测模型的推算精度较高,平均绝对误差为0.320 5 nT,平均相对误差为12.368%。     

SERF原子磁力仪关键技术及应用

无自旋交换弛豫磁力仪利用碱金属原子自旋交换弛豫消除效应实现弱磁场信息测量,具有超高灵敏度、小体积和低功耗等优点,已成为国内外精密磁场测量技术的研究热点之一.介绍了无自旋交换弛豫原子磁力仪的工作原理和国内外研究现状,重点讨论了长弛豫时间原子气室、原子气室无磁加热和高精密动态磁补偿等关键技术,并对无自旋交换弛豫原子磁力仪的发展趋势和应用前景进行了展望.     

叶轮四坐标数控加工中刀轴矢量的计算

对于任意曲面叶轮的四坐标加工，提出了一种计算刀轴矢量的方法。由于四坐标铣床自由度的限制，根据曲面上接触点的几何量计算出的刀轴矢量，不一定能在四坐标系床上实现。以四坐标铣床的主轴位置为初始刀轴矢量，以倾斜工作台的法矢量为旋转轴，形成一组刀位矢量，这些矢量组成一个锥形面；在这组矢量中，求出与由曲面几何量计算出的刀轴矢量最相近的矢量，并且使刀具处于该刀轴矢量时与叶片不发生干涉，将这个矢量作为最终的刀轴矢量。     

几种新的单路原子磁导引磁场设计和分析

原子磁导引利用载流导线产生的磁场与原子相互作用来操控冷原子,针对冷原子操控和传输的要求,提出了双曲线薄板导引、双平行平板导引、三根等边三角形和四根正方形分布载流导线实现对冷原子进行单路磁导引的方案,利用Ansoft maxwell 2D软件计算各导引的磁场分布和沿特殊轴的磁场变化值,分析其导引特点。这几种磁导引都采用通直流电的载流导体,其结构中心位置的场强存在极小值,形成了沿着导引的方向呈现管状磁场分布,适合导引弱场搜寻态的原子。越接近导体表面的地方,磁场梯度越大,所以原子不易与材料的相互作用而被吸引到导体表面造成损耗,而且使用时不需另加控制磁场,在实验中易于实现。     

环形磁铁空间磁场的解析计算与仿真

从永磁体的磁荷模型出发,运用标量磁位法、广义二项式定理、矢量叠加原理等建立了环形磁铁在磁体外部空间磁场分布的解析表达式,并在MATLAB仿真软件中进行了计算。利用三维数字式特斯拉计实际测量了两种规格的永磁体的磁场分布,利用Ansoft Maxwell电磁场分析软件建立了两种永磁体在磁体外部空间的磁场分布,通过对比解析计算结果、实际测量结果和Ansoft Maxwell仿真结果发现解析表达式很好地反映了永磁环空间磁场的分布规律,误差不超过7％,从而验证了解析表达式的正确性。     

固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿模型分析

近年来,无人机的应用日益广泛,逐渐用于航空物探。在使用固定翼无人机搭载磁力仪进行航磁测量时,必然引入飞行平台干扰,包括与机动无关的干扰和与机动有关的干扰。去除和飞机机动有关的磁干扰,即为磁补偿工作。航磁补偿的经典TOLLES-LAWSON模型将磁干扰分为剩余磁场、感应磁场和涡流磁场。对于固定翼无人机,涡流磁场可以不考虑,将剩余磁场和感应磁场合称为稳态干扰场。主要对飞机干扰的来源和性质进行分析,并在地面设计实验验证铁磁性材料的性质,以加深对磁补偿模型的假设和推导过程的理解。最后,在地面实验平台上测量了飞机磁干扰场的平面分布图,指导航空磁力仪的安装。在将TOLLES-LAWSON模型应用于固定翼无人机航磁探测系统的磁补偿工作时,无人机与有人机相比,在结构和材料方面都有较大差异,因此对模型的物理意义和假设条件的深入理解至关重要,此即本文所述工作成果的出发点。     

微波谐振腔品质因数测量方法改进研究

提出一种用于测量微波谐振腔品质因数的标量反射系数平均法。建立简化的等效电路模型，对不同算法进行研究，发现修正标量反射系数法不受离散误差影响但比矢量法误差大，得到标量反射系数平均法，并利用矢量网络分析仪实测了底置式谐振腔，实验结果表明，标量发射系数平均法在准确性和稳定性方面均有一定的优越性。     

核磁共振陀螺仪中三维磁场的初步锁定

核磁共振陀螺仪内部空间的三维磁场锁定作为关键技术之一,对于核磁共振陀螺仪的角度随机游走及零偏稳定性具有较大的优化作用。实验装置选用充有CS、~(129)Xe、~(131)Xe以及N_2的方形原子气室,选择895nm圆偏振光作为泵浦光,852nm线偏振光作为探测光,通过对纵向磁场进行调制,实现了三维原子磁力计。通过提升气室温度对纵向磁场的锁定效果进行优化后,在3个方向的磁场起伏范围均稳定至7nT(5000 s)以下,锁定后磁场的千秒稳定性比锁定前提升至少1个量级。     

地磁导航技术研究进展

地磁场是地球的固有资源,利用地磁场匹配进行导航是一种新型导航技术.与传统的惯性导航和卫星导航比较,地磁导航具有无积累误差、抗干扰、隐蔽性好、导航信息丰富等优势.文章介绍了地磁导航的3个基本要素,即磁场测量技术、地磁模型以及定位与导航技术.分析了弱磁场磁力仪在地磁导航中的应用及其优缺点,讨论了地磁场模型和地磁匹配算法,展望了地磁导航技术的应用前景.     

基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪实验优化

核磁共振陀螺仪内嵌三维原子磁强计是实现核磁共振陀螺仪小型化的一种有效途径,故介绍了一种基于三维原子磁强计的核磁共振陀螺仪.对影响三维原子磁强计性能的重要参数进行了优化,得到了较优的x轴、yy轴和z轴磁强计信号标度因子,进而实现了更灵敏的三维原子磁强计.在三维磁场闭环锁定6000 s后,测得核磁共振陀螺仪的角度随机游走和零偏稳定性分别为0.038(°)/h1/2和0.94(°)/h.     

Pico-satellite Autonomous Navigation with Magnetometer and Sun Sensor Data

This article presents a near-Earth satellite orbit estimation method for pico-satellite applications with light-weight and low-power requirements. The method provides orbit information autonomously from magnetometer and sun sensor, with an extended Kalman filter (EKF). Real-time position/velocity parameters are estimated with attitude independently from two quantities: the measured magnitude of the Earth’s magnetic field, and the measured dot product of the magnetic field vector and the sun vector. To guarantee the filter’s effectiveness, it is recommended that the sun sensor should at least have the same level of accuracy as magnetometer. Furthermore, to reduce filter’s computation expense, simplification methods in EKF’s Jacobian calculations are introduced and testified, and a polynomial model for fast magnetic field calculation is developed. With these methods, 50% of the computation expense in dynamic model propagation and 80% of the computation burden in measurement model calculation can be reduced. Tested with simulation data and compared with original magnetometer-only methods, filter achieves faster convergence and higher accuracy by 75% and 30% respectively, and the suggested simplification methods are proved to be harmless to filter’s estimation performance.     

基于磁记忆技术对含缺陷焊缝的疲劳试验

对含有不同隐形损伤的40Cr焊板进行射线检测、疲劳试验和正交磁记忆信号测量，探索试件在疲劳应力作用下磁记忆信号的变化特征。试验结果表明：单一测量方式下的磁特征值不能表征焊板在疲劳循环载荷下的变化特征，所得结论存在偶然性；研究发现，可用磁场矢量梯度积分特征和磁场矢量合成梯度特征来评价焊板的疲劳损伤过程，并建立了以磁场矢量梯度特征为损伤参量的疲劳损伤模型，从而可以对含有隐形损伤焊接构件的疲劳寿命进行定量评估，为金属磁记忆技术在焊接缺陷定量评价上的进一步研究提供参考依据。     

强磁干扰环境下磁航向误差补偿技术研究

解决强磁环境下磁强计易受干扰的问题,能够提高微型姿态参照系统航向角测量精度。建立了磁强计误差两次补偿模型,首先采用椭圆坐标修正法对磁强计进行罗差补偿,以减小环境磁场的干扰;其次采用最小二乘拟合法对获得的磁航向角进行二次补偿,提高系统航向角测量精度。试验结果显示：系统航向角测量值的误差均方值由补偿前的3．982°降为补偿后的0．386°,精度提高近10．3倍,表明该补偿方法能够有效降低磁场环境的干扰,提高系统航向角测量精度。     

基于磁强计测量的微小卫星轨道姿态 耦合确定方法

针对基于磁强计测量的微小卫星, 提出了基于串并联混合策略的轨道姿态 耦合确定方法。滤波初期,考虑到估计误差较大,采用先地磁场大小测量的轨道确定、 后地磁场矢量测量的姿态确定的串联策略;稳定后,采用基于矢量测量的轨道、姿态同 步确定的并联策略。为降低轨道、姿态确定的相互影响,设计了基于信息的鲁棒Kalman 滤波,通过自动调节增益矩阵处理两个滤波系统间的影响。仿真表明,该方法在提高鲁 棒性的同时,还能适当提高状态估计的精度。     

低轨微纳卫星全磁自主导航算法研究

针对低轨微纳卫星体积小、功耗低的设计约束,提出了基于低轨地磁的定轨/定姿全磁自主导航算法.该算法仅利用三轴磁强计测量值和卫星动力学方程建立Kalman滤波器,实现了低轨微纳卫星的全自主轨道确定和姿态测量,理论仿真结果表明,该全磁导航算法精度能够满足低轨微纳卫星的一般要求.利用高精度地磁模拟器搭建了微纳卫星全磁自主导航地面仿真验证系统,对算法进行了全物理仿真测试和实验误差分析,进一步验证了全磁自主导航算法的可行性,为低轨微纳卫星提供了一种低成本、高自主、高可靠性的导航方法.     

可芯片化的激光抽运Mz型原子磁强计参数研究

激光抽运Mz型原子磁强计具有体积小、功耗低和灵敏度高的优点。介绍了激光抽运Mz型原子磁强计的工作原理，研究了该类型原子磁强计中激光功率和射频场强度对磁共振信号的影响，并对当前实现的原子磁强计样机中射频线圈的磁场强度均匀性对磁共振信号的影响进行了仿真分析。最后，给出了当前实现的原子磁强计样机的性能参数，并讨论了实现芯片级原子磁强计的可行性。