CN113960505B

CN113960505B - 一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法及存储介质

Info

Publication number: CN113960505B
Application number: CN202111261558.1A
Authority: CN
Inventors: 董浩斌; 杨睿萍; 刘欢; 葛健; 罗望; 王洪鹏
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-10-28
Also published as: CN113960505A

Abstract

本发明公开了一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法及存储介质，基于一种一体化融合式磁传感器实现，包括三个磁感单元：Overhauser标量磁场测量单元、磁通门测量单元和TMR测量单元；该方法能解决不同类磁传感器在小空间范围内同步、同相工作的互相兼容性问题。通过使用同频反馈机制与无线圈磁芯结构，有效改善矢量传感器与标量传感器由激发过程、感应过程引起的空间电磁信息耦合，使不同结构磁传感器可相互兼容工作，有效提高多类磁传感器相互配合工作的集成度。该方法能实现现有多类磁传感器测量***的小型化，并提高***综合应用精度，以满足深空、深海等领域对弱磁探测方法与仪器的需求。

Description

一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法及存储介质

技术领域

本发明涉及传感器协同测量领域，具体涉及一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法及存储介质。

背景技术

磁场作为地球的基本物理场之一，能反应地球内部物质成分分布和地质结构信息，一般以地磁场为界限，低于此范围即为弱磁场。弱磁测量仪器的研制不仅在地球物理领域、空间磁测等传统领域上有重要的研究价值。根据较为成熟的磁性测量方法和工作原理，各种各样的磁传感器相继问世，其中，在弱磁测量领域应用比较广泛的包括磁通门测量单元、感应式磁传感器、超导量子干涉仪传感器、光泵浦传感器、共振传感器及磁力仪等等。

基于不同磁测量原理和方法的磁传感器，在内部框架、电路结构和信号特性等方面存在明显差异，这使得多种磁传感器或磁感单元，应用在同一个***中，存在复杂的互干扰问题。目前，对于单一磁传感器受干扰的相关研究已经取得可观的成果，对常见干扰的特性分析和抑制方法能够应用于实践中。然而，在磁传感器之间的互干扰问题上，尤其是对于不同磁传感器而言，关于互干扰特性分析及抑制方法的相关研究尚未深入开展。

发明内容

本发明要解决的主要技术问题在于分析不同磁传感器之间的互干扰特性并进行有效抑制。

为了实现上述目的，本发明提供了一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法，基于一种一体化融合式磁传感器，所述一体化融合式磁传感器包括三个磁感单元：Overhauser标量磁场测量单元、磁通门测量单元和TMR测量单元；

所述多传感器协同测量的互干扰抑制方法包括以下步骤：

S1、计算各所述磁感单元之间的安全距离，通过所述安全距离布置各所述磁感单元的位置，以消除各自磁敏材料引起的干扰；

S2、构建一种无圈磁通门结构，以消除所述磁通门测量单元自身线圈互感干扰以及所述磁通门测量单元与所述Overhauser标量磁场测量单元之间的互耦合干扰；

S3、运用拉莫尔信号直接激励所述磁通门测量单元与所述TMR测量单元，进而消除不同激励信号的相互干扰，抑制励磁噪声；

根据步骤S1-S3，完成三个所述磁感单元之间的互干扰抑制。

进一步地，所述计算各所述磁感单元之间的安全距离，通过所述安全距离布置各所述磁感单元的位置的步骤，具体包括：

分析Overhauser标量磁场测量单元、磁通门测量单元和TMR测量单元的线圈材料、磁芯材料与薄膜材料特征，得到各磁感单元的磁感应特征分布场；

根据各所述磁感应特征分布场计算各所述磁感单元间的安全距离，通过所述安全距离布置各所述磁感单元的位置，以消除由传感器骨架、磁通门测量单元部分的磁芯、TMR测量单元部分的多铁磁层引起的磁敏材料间互扰。

进一步地，在所述计算各所述磁感单元之间的安全距离，通过所述安全距离布置各所述磁感单元的位置的步骤之后，还包括：

计算各所述磁感单元间材料磁场的衰减比常数，选择满足所述衰减比常数的材料作为所述一体化融合式磁传感器的基底材料，以去除基底材料磁性干扰。

进一步地，所述计算各所述磁感单元间材料磁场的衰减比常数，选择满足所述衰减比常数的材料作为所述一体化融合式磁传感器的基底材料，以去除基底材料磁性干扰的步骤，具体包括：

根据各所述磁感单元的磁感应特征分布场分析磁芯参数、旋转磁化下功率损耗以及磁芯或薄膜层磁场分布特征，获得各所述磁感单元间材料磁场的衰减比常数；

根据所述衰减比常数选用非磁性物质作为所述一体化融合式磁传感器的基底材料，去除基底材料磁性干扰。

进一步地，所述构建一种无圈磁通门结构的步骤，具体包括：

分析所述磁通门测量单元的磁芯低频阻抗效应，构建一种基于钴基非晶丝低频阻抗效应的无圈磁通门结构；

激励信号直接激励钴基非晶丝，无线圈的互干扰，以消除所述磁通门测量单元自身线圈互感干扰以及所述磁通门测量单元与所述Overhauser标量磁场测量单元间的互耦合干扰。

进一步地，所述运用拉莫尔信号直接激励所述磁通门测量单元与所述TMR测量单元的步骤，具体包括：

采用NMR&DNP(基于核磁共振和动态核极化的双共振方法)作为激励源激发所述Overhauser标量磁场测量单元；

利用所述Overhauser标量磁场测量单元输出的拉莫尔信号激励所述磁通门测量单元与所述TMR测量单元，从而消除不同激励信号的相互干扰，以抑制励磁噪声。

此外，为了实现上述目的，本发明还提供了一种存储介质，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有所述的多传感器协同测量的互干扰抑制方法。

本发明提供的技术方案带来的有益效果是：

解决不同类磁传感器在小空间范围内同步、同相工作的互相兼容性问题。通过使用同频反馈机制与无线圈磁芯结构，有效改善矢量传感器与标量传感器由激发过程、感应过程引起的空间电磁信息耦合，使不同结构磁传感器可相互兼容工作，有效提高多类磁传感器相互配合工作的集成度。该方法能实现现有多类磁传感器测量***的小型化，并提高***综合应用精度，以满足深空、深海等领域对弱磁探测方法与仪器的需求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法的流程图；

图2是本发明实施例磁敏材料互扰抑制流程图；

图3是本发明实施例线圈互耦合干扰抑制流程图；

图4是本发明激励信号互扰抑制流程图。

具体实施方式

下面将结合附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

本实施例提供了一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法，基于一体化融合式磁传感器的实现，包括三个磁感单元：Overhauser标量磁场测量单元、磁通门测量单元和TMR测量单元；

由于Overhauser磁感单元动态核极化高极化效率需求，在本实施例中设计了同轴谐振腔。同轴谐振腔内存在同轴中心空腔，测量时，核磁共振信号在空腔内部产生交变磁场。三个磁感单元在空间中在同一位置，可保证三者测量磁场相同，减小融合模型中转化误差，将磁通门单元和TMR磁阻单元置于同轴中心空腔，通过该结构，有效的将各类磁感单元有机融合，实现优势互补。

各磁感单元的构造材料与测量过程产生的电磁干扰，会对其他类磁感单元的测量过程造成一定影响。因此，需要明确融合式磁传感器内部不同磁感单元之间所特有的磁敏材料互扰、线圈互耦、励磁互扰等干扰及噪声的抑制策略，以尽可能提高融合式磁传感器测量精度等性能，从而确定其一体化物理模型的设计条件。

参考图1，一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法包括以下步骤：

S1、计算各所述磁感单元之间的安全距离，通过所述安全距离布置各所述磁感单元的位置，以消除各自磁敏材料引起的干扰；计算各所述磁感单元间材料磁场的衰减比常数，根据所述衰减比常数选取所述一体化融合式磁传感器的基底材料，以去除基底材料磁性干扰；

S2、构建一种基于钴基非晶丝低频阻抗效应的无圈磁通门结构，以消除所述磁通门测量单元自身线圈互感干扰以及所述磁通门测量单元与所述Overhauser标量磁场测量单元之间的互耦合干扰；

根据步骤S1-S3，完成三个所述磁感单元之间的互干扰抑制。

参考图2，S1具体包括：

S11、分析Overhauser标量磁场测量单元、磁通门测量单元和TMR测量单元的线圈材料、磁芯材料与薄膜材料特征，得到各磁感单元磁感应特征分布场；

S12、根据磁感应特征分布场计算各磁感单元间的安全测量距离，设计各磁感单元间材料磁干扰安全距离，例如磁通门单元的磁芯与Overhauser单元核心部件的安全距离需要大于或等于10cm，从而解决由传感器骨架、磁通门部分的磁芯、TMR部分多铁磁层等引起的磁敏材料间互扰；

S13、根据各磁感单元磁感应特征分布场分析磁芯参数、旋转磁化下功率损耗以及磁芯或薄膜层磁场分布特征，获得各磁感单元间材料的磁场衰减比常数，所述磁场衰减比常数通过软件仿真得到；

S14、根据衰减比常数选用聚酯塑料、钛等非磁性物质作为磁传感器外形、骨架等部件材料，去除基底材料磁性干扰。

参考图3，步骤S2具体包括：

S21、分析磁通门测量单元的激励线圈与感应线圈之间的互感现象；磁通门测量单元的激励线圈、感应线圈和Overhauser标量磁场测量单元的射频激励线圈、拉莫尔感应线圈间的互耦合现象；

S22、分析磁通门测量单元的磁芯低频阻抗效应，构建一种基于钴基非晶丝低频阻抗效应的无圈磁通门结构，无圈磁通门结构敏感元件钴基非晶丝采用Overhauser单元输出的拉莫尔信号进行激励，通过加入电阻与非晶丝串联的方式，可以通过调节电阻的大小来控制非晶丝端电压和电流幅值的大小，使其控制在非晶丝最佳的工作条件下；同时，通过与非晶丝脉冲激励同相位同时间的脉冲激励信号(拉莫尔信号)控制其开关以达到同步检波的作用，模拟开关具有很高的温度稳定性，能在长时间工作下保持输出的稳定，防止温漂现象的产生。

S23、激励信号直接激励非晶丝，没有线圈的互干扰，从源头解决磁通门单元自身线圈互感干扰以及磁通门单元与Overhauser单元间互耦合干扰问题；

参考图4，步骤S3具体包括：

S31、分析三个磁感单元的励磁场特征，构建三个磁感单元组合的励磁场在传感器中心干扰场模型；

S32、仿真分析各磁感单元的励磁场对传感器的磁芯与薄膜磁化程度、质子相位及能级的影响；

S33、基于传感器磁芯与薄膜磁化程度、质子相位及能级的影响提出一种基于同频激励的融合式磁传感器噪声抑制方法，运用Overhauser标量磁场测量单元输出的拉莫尔信号直接作为磁通门测量单元与TMR测量单元的激励源使其工作，

S34、进而仅需设计Overhauser标量磁场测量单元的激励源，采用基于核磁共振和动态核极化的双共振方法，再利用Overhauser标量磁场测量单元输出的拉莫尔信号激励磁通门测量单元与TMR传感器，从源头解决不同激励信号的相互干扰，有效抑制励磁噪声。

本实施例公开了一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法，基于一种一体化融合式磁传感器实现，该方法能解决不同类磁传感器在小空间范围内同步、同相工作的互相兼容性问题。通过使用同频反馈机制与无线圈磁芯结构，有效改善矢量传感器与标量传感器由激发过程、感应过程引起的空间电磁信息耦合，使不同结构磁传感器可相互兼容工作，有效提高多类磁传感器相互配合工作的集成度。该方法能实现现有多类磁传感器测量***的小型化，并提高***综合应用精度，以满足深空、深海等领域对弱磁探测方法与仪器的需求。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者***中还存在另外的相同要素。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种多传感器协同测量的互干扰抑制方法，其特征在于，基于一种一体化融合式磁传感器实现，所述一体化融合式磁传感器包括三个磁感单元：Overhauser标量磁场测量单元、磁通门测量单元和TMR测量单元；

所述多传感器协同测量的互干扰抑制方法包括以下步骤：

所述构建一种无圈磁通门结构的步骤，具体包括：

激励信号直接激励钴基非晶丝，无线圈的互干扰，以消除所述磁通门测量单元自身线圈互感干扰以及所述磁通门测量单元与所述Overhauser标量磁场测量单元间的互耦合干扰；

S3、运用拉莫尔信号直接激励所述磁通门测量单元与所述TMR测量单元，以消除不同激励信号的相互干扰，抑制励磁噪声；

根据步骤S1-S3，完成三个所述磁感单元之间的互干扰抑制。

2.如权利要求1所述的多传感器协同测量的互干扰抑制方法，其特征在于，所述计算各所述磁感单元之间的安全距离，通过所述安全距离布置各所述磁感单元的位置的步骤，具体包括：

分析所述Overhauser标量磁场测量单元、所述磁通门测量单元和所述TMR测量单元的线圈材料、磁芯材料与薄膜材料特征，得到各所述磁感单元的磁感应特征分布场；

3.如权利要求1所述的多传感器协同测量的互干扰抑制方法，其特征在于，在所述计算各所述磁感单元之间的安全距离，通过所述安全距离布置各所述磁感单元的位置的步骤之后，还包括：

计算各所述磁感单元间材料磁场的衰减比常数，选取满足所述衰减比常数的材料作为所述一体化融合式磁传感器的基底材料，以去除基底材料磁性干扰。

4.如权利要求3所述的多传感器协同测量的互干扰抑制方法，其特征在于，所述计算各所述磁感单元间材料磁场的衰减比常数，根据所述衰减比常数选取所述一体化融合式磁传感器的基底材料，以去除基底材料磁性干扰的步骤，具体包括：

5.如权利要求1所述的多传感器协同测量的互干扰抑制方法，其特征在于，所述运用拉莫尔信号直接激励所述磁通门测量单元与所述TMR测量单元的步骤，具体包括：

采用基于核磁共振和动态核极化的双共振方法激发所述Overhauser标量磁场测量单元；

6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质为计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有如权利要求1-5任一所述的多传感器协同测量的互干扰抑制方法。