光泵磁力仪的主要技术指标及测试方法

宗发保 邹鹏毅 顾建松 陈恩 黄成功 张谨

（第七一五研究所，杭州，310023）

光泵磁力仪的主要技术指标及测试方法

宗发保 邹鹏毅 顾建松 陈恩 黄成功 张谨

（第七一五研究所，杭州，310023）

介绍光泵磁力仪的主要技术指标定义，并对其中的重要指标：带宽、静态噪声、转向差等的测试方法进行了详细的阐述。这些技术指标和测试方法被应用于某型磁力仪的测试中，可供相关研究单位和技术人员参考使用。

光泵磁力仪；技术指标定义；测试方法

光泵磁力仪是以工作物质原子在磁场中发生的塞曼能级分裂为基础，结合光泵作用和磁共振现象研制而成的磁力仪［1］，在航空物探、航空反潜、海洋磁测工程中有着广泛的应用。目前，国内使用较广泛的光泵磁力仪有由中国船舶重工集团公司第七一五研究所生产的多型氦光泵磁力仪、由加拿大Scintrex公司生产的CS-3型铯光泵磁力仪、由美国Geometrics公司生产的G858型地面铯光泵磁力仪和G880/G882型铯光泵磁力仪等。

在国内外厂家给出的光泵磁力仪技术手册中，常存在技术指标不全面、个别概念混淆不清的情况，如分辨率与显示分辨率混淆、灵敏度与噪声水平混淆等。本文介绍了光泵磁力仪的主要技术指标定义、重要技术指标的测试方法，并已应用于某型磁力仪的测试，可供相关研究单位和技术人员参考使用。

1　主要技术指标的定义

光泵磁力仪的主要技术指标包含采样率（采样时间）、带宽、显示分辨率、分辨率、四阶差分静态噪声、峰峰值噪声、功率谱噪声、灵敏度、量程、绝对误差、漂移、一致性、转向差、死区范围等。

· 采样率是指磁力仪每秒输出/显示的磁场值的个数，单位为Hz。采样时间是采样率的倒数，单位为s或ms。在航空和海洋磁测中，磁力仪采样率决定了相邻两个数据点的间隔，间接决定了磁测作业的效率，较高的采样率也有利于防止较高频率信号带来的混叠。在航磁测量中，采样率通常为5 Hz［2］或10 Hz。

· 带宽代表着磁力仪响应外界磁场变化快慢程度，带宽越高表示响应越快，单位为Hz。通常采用与低通滤波类似的-3 dB带宽作为磁力仪的带宽。磁力仪输出的采样点实质上是当前采样周期内的平均值，当采样率很低（≤1 Hz）时，磁力仪的带宽主要受采样率限制。

· 显示分辨率是指磁力仪输出/显示数据的有效位数。某台磁力仪输出磁场值为48 000.001 nT，则其显示分辨率为0.001 nT。

· 分辨率是指磁力仪能反映外界磁场变化的最小量，即将磁力仪置于足够缓慢变化的磁场中时，其相邻两个磁场值的变化量。国内有不少单位误将显示分辨率或计数器分辨率作为仪器的分辨率。

· 四阶差分静态噪声Sn是文献［2］中规定的关于航磁仪的地面静态噪声评价指标。在磁力仪以不低于2 Hz的采样率连续记录下不少于30 min数据，按式（1）计算出四阶差分静态噪声。

上式中，n为参加计算的观测点数；i=1，2…n为数据序列号；的单位均为nT。四节差分静态噪声Sn很灵敏地将诸如尖峰、跳变及杂乱形式的错误数据提取反映出来［3］。Sn值越小代表曲线越光滑。

· 峰峰值噪声是指一段数据的最大值与最小值的差值，是磁力仪噪声最直观的反映，但其随机性比较大，已很少直接使用。当前使用最多的是特定频带特定时间段内的峰峰值噪声及其概率分布特性。

· 功率谱噪声是指噪声功率谱密度，代表单位频带内的噪声功率。通常用某频率点处的功率谱幅度表示。功率谱噪声是最为全面反映磁力仪噪声水平的技术指标，但其直观程度低，且无法与峰峰值噪声直接对应。

· 灵敏度是指仪器测量最小被测量的能力。不同厂家对灵敏度的定义不尽相同，在比较两个产品的灵敏度前还需要确定两台产品是否采用了统一定义，因此灵敏度的应用范围越来越少。目前，大家较为统一的把分辨率或系统噪声作为仪器的灵敏度。

· 量程是光泵磁力仪所能正常工作的环境磁场的最小值和最大值。

· 绝对误差是光泵磁力仪输出磁场值与供给标准磁场值的差值，由自身误差和漂移等组成。

· 漂移通常包含随时间的漂移和随温度的漂移，是日变仪器需要重点考虑的技术指标。

· 一致性是指两台光泵磁力仪在相同环境磁场下的输出磁场值之差，受绝对误差、漂移和环境磁场梯度等因素影响。

· 转向差是在恒定不变的磁场中由探头方向改变带来的磁场值变化，包含了测量方法本身的转向差和探头磁性结构部件带来的转向差两个部分。

· 光泵探头主轴与地磁场方向处于某个角度时，探头将不能正常工作或性能无法达到预期指标的范围被叫做死区范围，由测量方法和探头组成共同决定。

2　重要指标的测试方法

2.1带宽测试

光泵磁力仪的带宽测试示意图如图1所示，包含了信号源、亥姆赫兹线圈、磁力仪探头和主机、数据记录与显示等设备。

图1　光泵磁力仪的带宽测试示意图

光泵磁力仪进行带宽测试步骤：（1）按图1连接好设备，将亥姆赫兹线圈置于光泵探头附近；（2）先固定信号源输出频率为0.1 Hz，调节信号源输出幅度V0直到磁力仪输出交流磁场的幅值为20～50 nT；保持信号源输出幅度V0不变，调节其频率fi从0.01～5 Hz，依次记录下磁力仪输出交流磁场的幅值Ai（i=1，2…N，N可取20）；将一系列点连接起来，形成磁力仪的幅频特性曲线，其-3 dB处对应的频率fBW即为磁力仪的带宽。

2.2静态噪声测试

光泵磁力仪的静态噪声测试包含数据采集和数据处理两个阶段，测试数据要求连续记录不少于30 min，其采集方法有：（1）单台直接采集，将待测试的单台磁力仪置于野外远离输电线、公路的地方，将日变/干扰较小时段记录磁场值作为测试数据；（2）两台同时采集，一台为待测试磁力仪，一台为噪声更低的标准磁力仪，最后将两台磁力仪磁场值的差值作为测试数据；（3）在地磁稳场装置中采集，将待测试磁力仪置于地磁稳场装置中，消除外界磁干扰，将原始数据直接作为测试数据。

第（1）种方式最容易实现，但测试数据中还包含了地磁日变；第（2）种方式需要一台标准磁力仪，能消除日变的影响，实现也较为容易；第（3）种方式的测试数据最为客观反映磁力仪本身噪声，但需要地磁稳场装置。

测试数据还需要经过数据处理才能获得磁力仪静态噪声的相关技术指标，包括四阶差分静态噪声、功率谱噪声、0.06～0.4 Hz频带内300 s内任意连续30 s的峰峰值噪声及分布，其数据处理过程如图2所示。

图2　静态噪声测试数据处理过程

通常，磁力仪的噪声满足正态分布（高斯分布），需要根据正态分布的模型拟合出其噪声的均值μ和方差σ，并将95%概率置信区间（μ±3σ）作为磁力仪峰峰值噪声的统计结果。

2.3转向差测试

转向差测试时，需要选择地磁梯度很小的地方，将光泵探头固定在无磁旋转架上，转动支架使探头旋转一周，记录下磁力仪输出磁场值变化峰峰值记为转向差。

3　结语

本文介绍的技术指标和测试方法已被应用于某型磁力仪的测试中，并由中国计量学院出具了测试报告，可供相关研究单位和技术人员参考使用，以达到统一光泵磁力仪技术指标及测试方法的目的。此外，所述技术指标及测试方法可被参考应用于Overhauser、质子等总场磁力仪，后续将开展多类型多台磁力仪的技术指标测试与对比试验，联合业内相关单位编写行业标准。

本文是在吴文福研究员的细心指导下完成的，对其他所有参与测试试验的人员在此一并表示感谢。

［1］ 邹鹏毅，罗深荣，顾建松. 两型光泵磁力仪比对试验结果及分析［J］.声学与电子工程，2010，（2）：35-37.

［2］ 中国国土资源航空物探遥感中心. 航空磁测技术规范： DZ/T 0142-2010［S］. 北京： 中国标准出版社，2010.

［3］ 李大明，徐国华. 四阶差分法在高精度磁测中的应用［J］. 物探与化探，1990，（14）：42-46.