磁通门磁强计在深空探测中的应用

磁场测量是深空探测的重要任务之一,通过磁场可以遥感行星内部、研究行星演化历史、认知太阳系天体空间环境。基于法拉第电磁感应原理的磁通门磁强计,因空间适应性强、技术成熟度高、可靠性高等特点,是深空磁场测量最为常用的载荷。简要描述了磁通门磁强计的基本测量原理,探讨了地面和在轨标定的原理和实施方法,并介绍了磁强计在空间任务中的应用方式。目前,我国已经具备了星载高精度磁通门磁强计的研制能力。在不久的将来,磁通门磁强计有望在深空探测任务中发挥重要作用。     

火星空间环境磁场探测研究——高精度磁强计

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测。火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响,萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的。此磁强计在工作原理及具体设计上,考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求。通过装星前的地面标定测试,验证了萤火一号磁强计可以在-130～75℃温度范围内测量±256nT以内的磁场,分辨率可达到0.01 nT,带宽内总噪声小于0.03 nT,能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求。     

反馈磁场均匀性对磁通门磁强计的影响分析

针对磁通门传感器的特点, 研究了反馈线圈对磁通门传感器探测数据的影响, 并对比了几种典型结构的传感器. 磁通门传感器要求激励线圈工作在均匀磁场环境下, 非均匀场会引入误差信号. 根据磁通门原理进行了理论推导, 非均匀性会导致反馈原理工作的磁通门传感器线性系数发生变化. 针对应用于空间磁场探测的几种磁通门传感器常见结构, 即分立结构型、亥姆霍兹型和紧凑球面型等, 分析了传感器内部磁场的均匀性及对磁场探测的影响. 经仿真计算分析发现, 紧凑球型传感器的内部均匀性和稳定性优于分立结构传感器, 更有利于空间磁场探测.     

火星空间环境磁场探测研究

萤火一号卫星将对火星空间环境磁场实施探测. 火星磁场对火星弓激波、磁鞘、电离层、大气等绝大多数空间环境效应都具有重要影响, 萤火一号对火星磁场的探测是通过搭载于其上的科学载荷磁强计来实现的. 此磁强计在工作原理及具体设计上, 考虑了火星轨道严酷的工作环境和科学目标所需的测量要求. 通过装星前的地面标定测试, 验证了萤火一号磁强计可以在-130~75°C温度范围内测量±256 nT以内的磁场, 分辨率可达到0.01 nT, 带宽内总噪声小于0.03 nT, 能够满足萤火一号对火星空间环境探测的需求.     

基于绝对磁场测量的磁通门磁强计在轨标定方法

卫星在轨进行磁场测绘及监测时,需要高精度的磁场值,但由于磁通门磁强计三轴非正交性以及零点漂移所引起的误差大大降低了磁强计的测量精度,因而有必要对此进行校正.本文利用绝对标量磁强计,采用一种改进的最小二乘标定算法,通过不断迭代实现对磁通门三轴正交性和零点漂移的修正.结果表明,在考虑了磁强计本身噪声水平的实际情况下,磁通门磁强计的误差可由100nT左右修正到0.2nT以内.该算法为卫星在轨高精度磁场测量提供了一种可行的方法.     

基于Sigma-Delta调制技术的高精度数字磁通门磁强计仿真

设计了一种基于1 bit Sigma-Delta环路调制技术的高精度数字磁通门磁强计,建立了数字磁强计信号处理仿真模型,并利用Matlab的Simulink仿真工具开展了数字磁通门磁强计模型的仿真分析,对数字磁强计系统的噪声、线性度、响应速度和频率响应进行了仿真计算。利用本文1 bit Sigma-Delta环路调制技术的数字磁强计在量程超过±105 nT的情况下,系统在1 Hz处的噪声仅为4.66 pT·Hz–1/2,最大线性偏差为0.16 nT,动态响应速度达到2×106 nT·s–1,频率响应带宽超过10 Hz。仿真结果表明,基于1 bit Sigma-Delta环路调制技术的数字磁通门磁强计可以有效降低对A/D转换器精度的要求,在保证性能的前提下大幅度降低了电路复杂程度,提高了系统的可靠性,在深空探测、空间磁场测量等领域具有广泛的应用前景。      

磁通门磁强计校准装置研究

本文介绍了磁通门磁强计校准装置的系统组成,包括大开口大均匀区的三轴磁场线圈、磁场线圈非均匀性的补偿方法、三轴磁场线圈非正交性补偿方法、串并联组合磁场线圈分流电路等,分析了校准装置的测量不确定度主要来源,给出了验证结果。该装置可开展磁通门磁强计（含传感器）示值误差、线性度、正交度等参数的校准,其成果已应用于十多家单位的磁场测试系统和数十家单位的磁通门磁强计校准。     

小型化三轴SERF原子磁强计研究现状与展望

近年来,无自旋交换弛豫（Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF）原子磁强计凭借其高灵敏度优势,在医学影像、低场磁共振和前沿物理研究等领域已开展广泛应用。传统的SERF原子磁强计多为单轴矢量测量,动态范围仅为nT量级。通过磁场调制等技术手段,可实现三轴磁场矢量测量,获得更丰富的磁场信息,进而通过施加三轴闭环控制,还可以大幅增加其动态范围,扩展SERF原子磁强计的应用领域,未来有望应用于空间磁探测中。本文综述了SERF原子磁强计的发展历程,重点阐述了三轴SERF原子磁强计近年来的国内外研究现状,对其发展方向进行了展望。     

磁通门磁强计校准装置研究

本文介绍了磁通门磁强计校准装置的系统组成,包括大开口大均匀区的三轴磁场线圈、磁场线圈非均匀性的补偿方法、三轴磁场线圈非正交性补偿方法、串并联组合磁场线圈分流电路等,分析了校准装置的测量不确定度主要来源,给出了验证结果。该装置可开展磁通门磁强计(含传感器)示值误差、线性度、正交度等参数的校准,其成果已应用于十多家单位的磁场测试系统和数十家单位的磁通门磁强计校准。     

火星空间磁场结构特征

在火星空间模拟的单流体MHD模型的基础上, 研究了火星空间磁场结构及火星表面局部磁异常对磁场结构的影响. 在太阳风与火星相互作用的过程中, 形成弓激波和磁堆积区, 行星际磁场弯曲并向两极移动且被拖拽变形, 大部分磁力线从火星两极绕过, 通过火星之后在磁尾留下V字形结构. 火星表面附近局部磁异常也对火星磁场结构产生不可忽视的影响. 不同位置和强度的磁异常与太阳风相互作用形成结构及形态各异的微磁层, 如被拖拽的微磁层和存在开磁力线的微磁层等. 局部磁异常改变了近火磁场结构, 并可能改变等离子体的分布.     

一种无需轴对准的磁罗盘正交度测试方法

给出了一种可自动化的测试双轴磁传感器正交角度的方法：正交磁场法,该方法操作简便,无需被测传感器的精密装夹;整个测量过程中没有装配操作,完全消除了由于装配的不一致性带来的误差。与常用的磁矢量投影法相比较,本方法可较快地测得双轴磁传感器的正交度,且达到较高的精度。     

基于抽运光调制的SERF磁强计标量磁场测量方法

针对航天器中矢量磁场测量装置校准的标量磁场测量需求,提出了一种基于抽运光调制的无自旋交换弛豫(Spin-Exchange Relaxation-Free,SERF)磁强计标量磁场测量方法,实现了不引入额外磁场的标量磁场测量。通过分析原子自旋在抽运光关闭后的自由进动瞬态响应,得出了自由进动频率与磁场标量幅值的关系,并基于此方法设计了相应的抽运光调制-数据采集时序,实现了低磁场下的连续标量磁场测量。实验结果表明测量结果与施加的待测磁场拟合良好,在0~9nT测量范围中线性度为0.057%。本方法适用于小型化SERF原子磁强计,具备实现无干扰的矢量磁强计标定的能力。     

俄交变中磁标准装置研究

介绍了从俄罗斯引进的用于交变磁场的国防标准——交变中磁标准装置的基本工作原理,以及对其设计方案的剖析。该标准装置工作频率（20～1 000）Hz,复现交变磁场强度（0.1～1 000）mT,在这一领域内代表国际最高水平。通过对其信号获取、磁场感应信号的放大处理、大电流的产生办法、安全互锁设计,以及整体系统理论计算的分析,为该领域内标准装置的国产化提供理论基础,具有较好的实用价值。     

Science objectives of the magnetic field experiment onboard Aditya-L1 spacecraft

The Aditya-L1 is first Indian solar mission scheduled to be placed in a halo orbit around the first Lagrangian point (L1) of Sun-Earth system in the year 2018–19. The approved scientific payloads onboard Aditya-L1 spacecraft includes a Fluxgate Digital Magnetometer (FGM) to measure the local magnetic field which is necessary to supplement the outcome of other scientific experiments onboard. The in-situ vector magnetic field data at L1 is essential for better understanding of the data provided by the particle and plasma analysis experiments, onboard Aditya-L1 mission. Also, the dynamics of Coronal Mass Ejections (CMEs) can be better understood with the help of in-situ magnetic field data at the L1 point region. This data will also serve as crucial input for the short lead-time space weather forecasting models.The proposed FGM is a dual range magnetic sensor on a 6?m long boom mounted on the Sun viewing panel deck and configured to deploy along the negative roll direction of the spacecraft. Two sets of sensors (tri-axial each) are proposed to be mounted, one at the tip of boom (6?m from the spacecraft) and other, midway (3?m from the spacecraft). The main science objective of this experiment is to measure the magnitude and nature of the interplanetary magnetic field (IMF) locally and to study the disturbed magnetic conditions and extreme solar events by detecting the CME from Sun as a transient event. The proposed secondary science objectives are to study the impact of interplanetary structures and shock solar wind interaction on geo-space environment and to detect low frequency plasma waves emanating from the solar corona at L1 point. This will provide a better understanding on how the Sun affects interplanetary space.In this paper, we shall give the main scientific objectives of the magnetic field experiment and brief technical details of the FGM onboard Aditya-1 spacecraft.