舰艇消磁系统磁通门磁强计噪声指标测试浅析

张 迪，韩 松，阎齐方

舰艇消磁系统磁通门磁强计噪声指标测试浅析

张 迪1，韩 松2，阎齐方3

（91315部队，辽宁大连 116041）

噪声水平在一定程度上决定了磁强计对磁场信号的检测和识别能力。本文对舰艇消磁系统所采用的磁通门磁强计噪声的形成机理、测试系统构建进行了研究分析，并介绍说明了工程上常用的评价标准及测试数据处理方法。

消磁系统 磁通门 磁强计 噪声 测试

0 引言

磁通门磁强计又称磁饱和磁强计，是利用高磁导率磁性材料的磁芯在交变激励作用下产生周期性饱和与非饱和磁化效应，通过检测磁芯感应线圈输出的与被测磁场强度成正比的谐波(通常为二次谐波) 信号幅值，来实现磁场测量[1]。作为舰艇消磁系统重要组成的磁传感器即为一套三分量磁通门磁强计。其功能是测量舰艇所处位置的地磁场信号。消磁系统控制仪将该信号作为控制信号用于及时调整消磁绕组中的电流，更好地降低舰艇磁场信号，以防御水中磁性鱼、水雷等武器的攻击以及空中磁性探测。磁传感器灵敏度和准确性等指标直接影响到舰艇磁隐身性能。因此对磁通门磁强计性能指标特别是噪声水平的研究测试，对于提高舰艇生命力和战斗力都具有重要的现实意义。

1 噪声形成的机理

磁通门磁强计是一种弱磁信号测量仪器，其噪声水平在一定程度上决定了磁强计对磁场信号的检测和识别能力，是衡量其性能优劣的一项重要限定性技术指标。

磁通门磁强计的噪声是指当被测磁场不变时，磁强计输出信号产生的短时间不规则随机波动。它由分布于磁传感器和电路中大量彼此相互独立的随机噪声分量共同组成，主要包括：传感器磁芯材料的磁畴壁跳跃产生的巴克豪森噪声；材料温度系数差异导致传感器结构变形而引起的轴间耦合噪声；材料电磁参数的差异、装配结构的非对称性导致的变压器效应噪声；电路的激励信号、感应信号中有害谐波干扰噪声；导体自由电子无规则热运动产生的热噪声；半导体器件载流子随机波动产生的散粒、霰弹、闪烁、暗电流噪声等[2]。

2 噪声测试系统

作为一种高灵敏度弱磁信号测量仪器，磁通门磁强计对其所处环境中各种背景磁场的变化十分敏感。因此，测试噪声指标应在磁场强度近似为零的所谓“零磁空间”中进行，以尽量消除背景磁场对测试的“干扰”。通常采用磁屏蔽、磁补偿等方式构建“零磁空间”，将待测磁强计传感器置于其中，检测磁强计的输出即认为是噪声。典型的基于“零磁空间”的磁强计噪声测试系统构成如图1所示。

图1 噪声测试系统示意图

磁屏蔽装置用于对背景磁场进行衰减。磁屏蔽装置通常由多层高磁导率磁性材料(如坡莫合金、铁镍合金)制成，具有很高的磁屏蔽系数(屏蔽前后磁场之比)，可在其内部中心区域形成一个相对均匀、稳定的低磁空间(如图2)。磁屏蔽装置的屏蔽系数与其材料、形状、尺寸、层数、厚度等密切相关，例如卧式圆柱筒形磁屏蔽装置的径向屏蔽系数远大于轴向屏蔽系数，故在对地磁场进行屏蔽时，将其径向对准南北方向水平放置，则可起到更好的屏蔽效果。

图2 磁场屏蔽示意图

磁补偿系统用于对磁屏蔽装置内的剩余磁场做进一步动态反向等幅补偿，其通常由具有超高分辨力和灵敏度的标准磁强计(如质子磁强计、光泵磁强计)、驱动控制电路、高精度电流源、补偿线圈组成，可提高“零磁空间”等级[3]。其中，补偿线圈常见的有亥姆霍兹线圈、巴克尔线圈、布朗贝克线圈等。为消除由屏蔽层与补偿线圈外侧磁场的耦合效应所导致的内部磁场畸变，补偿线圈多采用无矩式结构设计（如图3），即给线圈反向串联一组与其结构相同、尺寸略小的线圈，两组线圈外部磁场互相抵消，线圈的磁矩近乎于零。

图3 无矩线圈结构示意图

利用定位设备将磁传感器精确安放在“零磁空间”中心处的无磁转台上，电源及信号由无磁屏蔽线缆引入(出)，并使用现代示波器、频谱(信号)分析仪等专业检测设备；或由专业软件开发的可视化应用程序、数据采集卡、信号调理电路等构成的计算机虚拟测试系统进行测试和数据处理分析。

此外，在对精度等级较高的磁强计进行噪声指标测试时，还应对“零磁空间”的温度、湿度、真空度等物理条件、测试设备的电磁防护、供电品质等采取必要控制措施，以避免引入干扰量。

3 噪声的评价指标

4 噪声测试的算法实现

4.1 数据的预处理

4.2 峰-峰值和均方根值

噪声的峰-峰值和均方根值是时域内的两种直观的评价指标。其中，均方根值反映了仪器带宽内所有频率点总噪声的有效值，也称为有效噪声，其算式为：

图4 高斯噪声幅值的概率分布图

4.3 功率谱密度

4.3.1 自相关法

4.3.2 周期图法

5 结束语

本文对磁通门磁强计噪声的形成机理、噪声测试系统的构建、常用噪声水平评价指标及其确定方法进行了分析介绍，重点对功率谱密度指标的两种算法（自相关法和周期图法）的基本原理、计算过程进行了说明。按文中所述构建完备的检测条件，选择合适的数据处理方法能够便捷高效准确地完成磁通门磁强计噪声性能指标测试，并可根据测试结果采取相应措施不断提升磁强计的灵敏度和精确性。这对于舰艇消磁系统磁通门传感器的设计测试、生产检验和修理调试等工作具有很强的借鉴和指导作用。

[1] 郭爱煌, 傅君眉. 磁通门技术及其应用[J]. 传感器技术, 2000, 19(04): 1-4.

[2] 朱万华, 底青云, 刘雷松, 等. 基于磁通负反馈结构的高灵敏度感应式磁场传感器研制[J]. 地球物理学报, 2013, 56(11): 3683-3689.

[3] 王晓峰, 韩晓东, 杨敬轩. 恒定弱磁标准装置设计原理[J]. 宇航计测技术, 2007, 27(05): 26-30.

[4] 周斌, 王劲东, 赵华, 等. 萤火一号火星探测器磁通门磁强计高精度标定技术[J]. 上海航天, 2013, 30(04): 179-182.

Analysis on the Noise Index Test of Fluxgate Magnetometer in Naval Ship Degaussing System

Zhang Di1, Han Song2, Yan Qifang3

(Unit 91315, Dalian 116041, China)

U674.7

A

1003-4862(2022)06-0024-04

2021-11-30

张迪（1981-），男，工程师。研究方向：舰艇消磁。E-mail: 16684050@qq.com