基于磁通门的地磁张量测量技术研究

发布时间：2020-08-23 13:28

【摘要】：磁法勘探作为最早的也是最重要的地球物理勘探方法之一,在地球物理研究、军事工程等领域中有着非常广泛的应用。随着科技的不断发展,磁法勘探从地磁场总强度测量和地磁场三分量测量发展到对磁场梯度张量的测量。国外在很早就开始了对于全张量磁梯度仪的研发,美国、德国、澳大利亚以及一些欧洲国家已经研发出自己的全张量磁梯度仪,并且已经取得了一些实验成果。我国在全张量磁梯度测量方面还处于起步阶段,因此全张量磁梯度仪的研发有着重要的意义。本文分析了多种不同构型磁梯度张量仪的测量误差,建立了磁梯度张量仪的误差模型,提出了磁梯度张量仪的测量误差校正方法,并通过校正实验验证了方法的可行性,从而设计并研制了一种基于磁通门磁强计的磁场梯度张量测量仪。本文先简要介绍了磁场梯度张量的基本性质和磁场梯度张量测量的国内外研究现状,并且说明了磁场梯度张量测量的优势。简述了三轴磁通门磁强计的结构和电路设计。介绍了三角形、十字形、直角四面体形、正四面体形和正方形五种基本磁梯度张量仪构型,通过对五种基本磁梯度张量仪构型进行误差仿真,对比各构型的仿真结果,得出了十字形构型磁梯度张量仪测量误差最小的结论,确定了所研制磁场梯度张量仪的几何构型为十字形构型。在上述结论的基础上,本文分析了磁通门梯度张量仪的误差模型,梯度张量仪的误差主要分为两部分,组成梯度张量仪的四个磁通门磁强计各自的误差,主要有三轴非正交误差,轴间标度因子误差,三轴零点偏移误差等,以及安装梯度张量仪时由于机械精度或者人为操作造成的非对准误差。本文提出了一种非对准误差校正方法,并对该方法进行了仿真分析并进行了实验验证,经过校正后的磁场梯度张量与校正前的磁场梯度张量比较误差降低了96.3%,因此本文提出的校正方法能够很好地对磁梯度张量仪进行误差校正。验证了磁场梯度张量仪的校正方法后,本文基于实验室现有磁通门传感器研制了磁场梯度张量测量仪。设计并完成了磁场梯度张量测量仪的信号检测电路部分,电路调试完成后对磁通门传感器和电路进行了性能测试,达到了很好地性能,磁通门传感器的线性度≤0.013%,量程为±83,000 nT,噪声≤0.04 nT/Hz~(0.5)@1Hz,磁通门梯度张量仪各测量分量的噪声≤0.1667 nT/m/Hz~(0.5)@1Hz。
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院国家空间科学中心)
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P631.2
【图文】：

美国和澳大利亚以及一些欧洲国家的技术水平更加先进。2000 年，澳大利亚最大的政府研究机构——联邦科学工业研究组织（CSIRO）的工业物理学部用一个双 SQUID 差分梯度仪进行了初步试验，并且与勘探与矿业部和五矿公司进行合作，研发可以测量全张量地磁要素的 HTS-SQUID 系统[15]。该研究小组使用了一种新型的设计，通过让梯度仪围绕着其轴旋转来进行测量。通过初步的人工转动系统证明了这个系统的可行性。目前，澳大利亚正在进行另一项研究，这项研究的目标是地球浅层环境——透视地球（Class Earth）,其中包括航空张量磁梯度仪 GETMAG（Class Earth Tensor Magnetic AirborneGradiometer,GETMAG）的研制。设计要求 GETMAG 的灵敏度优于 0.01nT/m，基线长度 3cm。GETMAG 的目标是探测几百米深处磁化率非常低的地质现象[8]。

图 1.2IPHT 第二代航空超导全张量磁梯度系统[14]econd generation aviation superconducting full tensor magnetic gradienIPHT岭国家实验室的一个小组，通过使用由美国海军提供的现所自主研发的航空地球物理平台相结合，组成了完整的航进行飞行试验。海军提供的 HTS-SQUID 由 8 个 SQUID 元件。通过合理的配置 SQUID 元件，可以用它来测量磁场三向值。该小组进行了地面试验，得到了在不同环境条件下的噪行屏蔽处理后对一个使用偶极子模拟的目标进行了磁测。系统的性能，也检验了偶极子追踪的方法[7]。

图 1.3 美国 HTS-SQUID 航空磁梯度张量测量系统[7]g 1.3Aeromagnetic gradient tensor measurement system of HTS-SQUID inAm基于 SQUID 的磁梯度张量仪，还有以磁通门磁强计为基础构造的磁地质调查局（U.S.Geological Survey）设计研发了基于磁通门磁张量仪，该磁梯度张量仪为四个磁通门磁强计组成正四面体构型磁强计分别放置在四面体构型的四个顶点上组成磁梯度张量仪[9]

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本文编号：2801584