趙琳，杜愛民,3，喬?hào)|海，孫樹全，張瑩,3，區(qū)家明，郭志芳，李智，馮曉，顧少燃，李峰

（1. 中國(guó)科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所 地球與行星物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100029；2. 中國(guó)科學(xué)院 地球科學(xué)研究院，北京 100029；3. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；4. 蘇州大學(xué)，蘇州 215006）

引 言

磁場(chǎng)是描述火星的重要物理量之一[1]?；鹦谴艌?chǎng)測(cè)量為研究火星殼磁場(chǎng)空間分布、磁場(chǎng)起源及其時(shí)間演化、與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系，以及太陽風(fēng)與電離層的相互作用等方面提供了重要的觀測(cè)數(shù)據(jù)。預(yù)期取得的研究成果對(duì)于認(rèn)識(shí)火星內(nèi)部結(jié)構(gòu)、火星空間電磁環(huán)境，以及火星大氣和氣候的演化過程具有重要的科學(xué)意義。

20世紀(jì)60年代，人類開始對(duì)火星磁場(chǎng)進(jìn)行探測(cè)和研究，火星磁場(chǎng)的探測(cè)主要是通過在探測(cè)器上搭載的磁力儀對(duì)接近火星表面的磁場(chǎng)直接測(cè)量實(shí)現(xiàn)的[1]。獲取有效磁場(chǎng)數(shù)據(jù)的火星磁場(chǎng)測(cè)量載荷信息如表1所示。

磁通門磁強(qiáng)計(jì)具有小體積、低功耗、低噪聲、高分辨率、高可靠性等優(yōu)勢(shì)，是星載磁測(cè)載荷的首選，基于矢量補(bǔ)償環(huán)型磁芯傳感器技術(shù)和數(shù)字處理電子學(xué)技術(shù)的磁通門磁強(qiáng)計(jì)在深空探測(cè)任務(wù)中得到了廣泛的運(yùn)用。國(guó)際上，Venus Express磁強(qiáng)計(jì)[2]、Rosetta磁強(qiáng)計(jì)[3]、THEMIS磁強(qiáng)計(jì)[4]、Mascot磁強(qiáng)計(jì)[5]的探頭都采用矢量補(bǔ)償環(huán)型磁芯傳感器結(jié)構(gòu)，這種探頭主要由德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)的地球物理與地外物理研究所 (The Institute for Geophysics and Extraterrestrial Physics，IGeP)研發(fā)，配套的磁通門數(shù)字電路的核心設(shè)計(jì)方案主要由德國(guó)Magson公司提供[4-6]。

1 磁通門磁強(qiáng)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

1.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)單機(jī)設(shè)計(jì)指標(biāo)如表2所示。

1.2 基本原理及構(gòu)成

磁通門磁強(qiáng)計(jì)是一種測(cè)量微弱靜態(tài)或低頻交變磁場(chǎng)的矢量傳感器，由三軸磁通門探頭和電子學(xué)單元組成，其中探頭部分是相互正交安裝的3組磁通門線圈系統(tǒng)，主要包括激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈和反饋線圈。基本的工作流程是利用驅(qū)動(dòng)電路向激勵(lì)線圈加載一定頻率f0（約9.6 kHz）的對(duì)稱脈沖激勵(lì)電流，在每個(gè)激勵(lì)電流脈沖作用下，磁芯被飽和兩次，感應(yīng)線圈將磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。傳感器輸出的任意偶次諧波均可作為被測(cè)磁場(chǎng)的量度，由于二次諧波幅值最大，故通常選取其二次諧波電壓量度被測(cè)磁場(chǎng)。

火星車磁強(qiáng)計(jì)在配置上包括兩個(gè)磁強(qiáng)計(jì)探頭（含線纜）和1塊電子學(xué)單元，兩個(gè)磁強(qiáng)計(jì)探頭用來采集磁場(chǎng)信號(hào)，分別安裝于桅桿頂端（探頭1）和桅桿底部（探頭2），如圖1所示；電子學(xué)單元主要為磁強(qiáng)計(jì)探頭提供激勵(lì)信號(hào)，并對(duì)探頭輸出信號(hào)進(jìn)行低噪聲放大、處理和傳輸，電子學(xué)單元安裝在巡視器內(nèi)部載荷控制器中。

表1 火星磁測(cè)相關(guān)信息Table 1 Information of Martian magnetic field measurement

表2 主要性能指標(biāo)Table 2 Main performance indicators

圖1 雙探頭安裝位置Fig.1 Installation position of the two probes

1.3 磁強(qiáng)計(jì)探頭研制

火星車磁通門強(qiáng)計(jì)探頭采用亥姆霍茲補(bǔ)償線圈結(jié)構(gòu)[7]。如圖2所示，這種高精度的三軸同心結(jié)構(gòu)傳感器可實(shí)現(xiàn)空間中磁場(chǎng)的同點(diǎn)測(cè)量，能夠消除梯度場(chǎng)帶來的三軸矢量測(cè)量偏差，具有分辨率高、噪聲水平低、穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)。

探頭主要由多組線圈（包括激勵(lì)線圈、感應(yīng)線圈和反饋線圈）、骨架和熱敏電阻構(gòu)成。其中，激勵(lì)線圈采用環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，整個(gè)探頭有2組垂直套疊的激勵(lì)線圈，其環(huán)形磁芯骨架的直徑為13 mm和18 mm，選用0.2 mm的漆包線單層緊密排繞。感應(yīng)線圈由2組跑道型無骨線圈和1組環(huán)形無骨線圈組成，不同分量的感應(yīng)線圈相互垂直。反饋線圈是由3組相互垂直且同心組裝的亥姆霍茲線圈組成，主要作用是在通入反饋電流后產(chǎn)生三分量的補(bǔ)償磁場(chǎng)，使磁強(qiáng)計(jì)探頭中心點(diǎn)在零磁場(chǎng)附近。

圖2 探頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of probe

探頭研制過程中，主要優(yōu)選熱膨脹系數(shù)一致的材料，采用軟件仿真和鑒定級(jí)試驗(yàn)相結(jié)合的方式來驗(yàn)證其熱力學(xué)性能滿足火星環(huán)境任務(wù)要求。

1.4 電子學(xué)單元研制

電子學(xué)單元硬件結(jié)構(gòu)上由電源模塊、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（Field-Progremmable Gate Array，F(xiàn)PGA）主控與信號(hào)處理模塊、探頭激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生模塊、感應(yīng)信號(hào)采集模塊、反饋模塊和溫度模塊構(gòu)成[8-10]，如圖3所示。載荷控制器為火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)單機(jī)提供 ± 12 V、+ 5 V、+ 3.3 V的二次電源，電路中各器件所需的電源由單機(jī)內(nèi)部電源模塊給出，F(xiàn)PGA主控模塊控制外圍芯片完成信號(hào)處理、指令解析、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?。溫度模塊主要是用來采集探頭和電路板的溫度，實(shí)現(xiàn)磁測(cè)數(shù)據(jù)的溫漂修正。

圖3 數(shù)字磁通門模塊構(gòu)成Fig.3 Module of digital fluxgate

單機(jī)激勵(lì)信號(hào)頻率是9.6 kHz，采樣頻率為80～160 kHz之間，選用FPGA做主控，通過算法準(zhǔn)確消除數(shù)字處理系統(tǒng)的量化誤差，利用過采樣和數(shù)字濾波方式來降低儀器噪聲和功能[11]。采用D/A數(shù)字補(bǔ)償，消除探頭非對(duì)稱引起的零偏信號(hào)或假信號(hào)，實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償，以提高測(cè)量精度。通常，數(shù)字磁通門在大動(dòng)態(tài)范圍磁場(chǎng)測(cè)量中，常采用分檔切換、精度調(diào)節(jié)的技術(shù)，這使得磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)跳變，但火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)采用FPGA數(shù)字反饋技術(shù)和探頭線圈反饋結(jié)構(gòu)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了 ± 6.5萬nT的全量程自適應(yīng)測(cè)量，同時(shí)保證了單機(jī)分辨率優(yōu)于0.01 nT（見圖4）。

圖4 火星表面磁場(chǎng)探測(cè)儀鑒定件實(shí)物圖Fig.4 Identification parts of the ROVER fluxgate magnetometer

為適應(yīng)巡視器載荷產(chǎn)品應(yīng)用需求，火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)在保證探測(cè)精度的前提下，參照了Magson公司的硬件設(shè)計(jì)理念，采用全數(shù)字式電路方案替代傳統(tǒng)的模擬電路方案，使得產(chǎn)品功耗降低至4 W以內(nèi)，電路板（含外框）重量控制在610 g以內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了載荷產(chǎn)品的小型化、低功耗。

2 地面定標(biāo)試驗(yàn)

在國(guó)防科技工業(yè)弱磁一級(jí)計(jì)量站（宜昌測(cè)試技術(shù)研究所磁學(xué)檢測(cè)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室）進(jìn)行了火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)地面定標(biāo)工作。

2.1 量程、線性度標(biāo)定

首先，對(duì)每個(gè)探頭每軸分別進(jìn)行線性加場(chǎng)試驗(yàn)，將待標(biāo)定磁強(qiáng)計(jì)探頭放置在三維亥姆霍茲加場(chǎng)線圈內(nèi)，利用磁通門磁強(qiáng)計(jì)校準(zhǔn)裝置產(chǎn)生穩(wěn)定的磁場(chǎng)，全量程的加場(chǎng)范圍為-6.5～+6.5萬nT，每5 000 nT一個(gè)測(cè)試點(diǎn)，每個(gè)測(cè)試點(diǎn)記錄有效數(shù)據(jù)不少于1 min，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合并得出擬合曲線公式B0=A*BX+C，其中，B0為標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)，BX為待標(biāo)定磁強(qiáng)計(jì)探頭測(cè)量值，A為比例因子，C為零偏。然后與標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)數(shù)據(jù)做對(duì)比，得出每軸的線性度、量程指標(biāo)。

圖5是火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)探頭1的地面加場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示探頭1的三分量量程均達(dá)到 ± 6.5萬nT，X軸、Y軸、Z軸線性度分別為0.016 %、0.017 %、0.020 %。

2.2 三軸正交度標(biāo)定

圖5 探頭1的量程、線性度Fig.5 Range and linearity of probe 1

在相鄰的兩次對(duì)X軸的加場(chǎng)Bi和Bi+1下，利用公式（1）、公式（2）分別得到Y(jié)軸、Z軸與X軸之間的非正交性；同樣在相鄰的兩次對(duì)Y軸的加場(chǎng)Bi和Bi+1下，利用公式（3）可得到Z軸與Y軸之間的非正交性。

在測(cè)試過程中，加場(chǎng)的標(biāo)準(zhǔn)磁場(chǎng)值從6.5萬 nT變化到-6.5萬 nT。選用一半的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到非正交性系數(shù)，然后利用非正交性系數(shù)修正磁場(chǎng)數(shù)據(jù)后，代入另一半測(cè)試數(shù)據(jù)，計(jì)算得到各軸間的正交性參數(shù)如表3所示。

表3 標(biāo)定后各軸向的正交性Table 3 Orthogonality of each axis after calibration

2.3 噪聲水平、分辨率、精度標(biāo)定

磁強(qiáng)計(jì)噪聲水平的測(cè)試需要一個(gè)穩(wěn)定、擾動(dòng)小的磁場(chǎng)環(huán)境，一般要求測(cè)試環(huán)境的磁場(chǎng)擾動(dòng)要遠(yuǎn)小于儀器本身的測(cè)量噪聲。試驗(yàn)過程中將待標(biāo)定磁強(qiáng)計(jì)探頭放置在1.6 m長(zhǎng)的圓柱形多層屏蔽筒內(nèi)，屏蔽筒內(nèi)部的噪聲≤ 0.1 pT（5 Hz～10 kHz），持續(xù)測(cè)量30 min，記錄三分量磁場(chǎng)數(shù)據(jù)。對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT頻譜分析，分別得到探頭1和探頭2的各軸噪聲FFT功率譜密度譜圖如圖6～7所示。取1 Hz附近5點(diǎn)均值，得到探頭1的X、Y、Z三軸噪聲分別為0.006 3 nT/√Hz、0.003 2 nT/√Hz、0.005 1 nT/√Hz、探頭2的X、Y、Z三軸噪聲分別為0.003 0 nT/√Hz，0.004 0 nT/√Hz，0.007 0 nT/√Hz，兩個(gè)探頭的各軸分辨率均優(yōu)于0.01 nT，精度優(yōu)于0.1 nT。

圖6 探頭1 的FFT功率譜密度譜圖Fig.6 The FFT power spectral density spectrum of probe 1

圖7 探頭2的FFT功率譜密度譜圖Fig.7 The FFT power spectral density spectrum of probe 2

2.4 溫度穩(wěn)定性

將待標(biāo)定磁強(qiáng)計(jì)探頭放置在溫控箱的工作區(qū)內(nèi)，在工作區(qū)內(nèi)復(fù)現(xiàn)零場(chǎng)環(huán)境?？刂聘叩蜏卣{(diào)控箱內(nèi)的溫度每隔5℃變化，每個(gè)溫度校準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)度不少于40 min，記錄數(shù)據(jù)。

取溫度較平坦段10 min數(shù)據(jù)，利用19 200個(gè)點(diǎn)計(jì)算磁場(chǎng)平均值，進(jìn)一步利用公式（4）和公式（5）分別求得相鄰溫度點(diǎn)下磁場(chǎng)平均值的變化值和磁場(chǎng)溫漂值，通過計(jì)算，火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)的溫度穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)于0.01 nT/℃，具體見表4。

其中：Bvi為相鄰溫度點(diǎn)下磁場(chǎng)平均值的變化值；BT為相鄰溫度點(diǎn)下磁場(chǎng)溫漂值。

3 結(jié) 論

開展了火星車磁通門磁強(qiáng)計(jì)單機(jī)的設(shè)計(jì)和研制工作，單機(jī)采用亥姆霍茲補(bǔ)償線圈型探頭技術(shù)和全數(shù)字閉環(huán)反饋電路技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)空間磁場(chǎng)的高精度同點(diǎn)測(cè)量。通過地面定標(biāo)，單機(jī)量程、噪聲水平、分辨率、精度、穩(wěn)定性指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，到達(dá)國(guó)際先進(jìn)水平，與國(guó)際火星磁強(qiáng)計(jì)（MAVEN磁通門磁強(qiáng)計(jì)[12]）對(duì)比，結(jié)果見表5。

表5 與THEMIS磁強(qiáng)計(jì)性能比較Table 5 Performance comparison with the THEMIS fluxgate magnetometer