技术领域
[0001] 本
发明涉及空间探测领域，具体涉及一种多量程的数字磁通门磁力仪。
背景技术
[0002] 针对空间物理研究，通常采用磁通门磁力仪进行空间
磁场的矢量测量。磁通门技术最早于1930年由德国人开发，并在同一时期开始进入实用阶段。
[0003] 其对磁场探测的范围跨度很大(+/-65000nT)，
分辨率要求高(噪声低于0.05nT/Hz1/2@1Hz)，正负65000nT即指测量范围为130000nT，若分辨率为16位则探测
精度为130000nT/216≈1.98nT，而测量范围为1000nT时探测精度为1000nT/216≈0.015nT，所以采用传统单一量程的常规磁通门
磁强计很难同时满足测量范围与分辨率的双重要求。另外，受磁力仪本身结构的限制，使其只能针对固定的磁场范围进行监测，无法进行测量量程的调节，导致磁力仪的适用范围受限。
发明内容
[0004] 本发明的目的在于，为解决现有的磁通门磁强计无法同时满足测量范围与分辨率高要求的技术问题，提供一种多量程的数字磁通门磁力仪，该数字磁通门磁力仪能够提高磁场的探测精度，降低磁通门磁力仪
电路复杂程度，减小仪器体积，降低仪器功耗，提升可靠性及
温度漂移特性，适用范围广泛。
[0005] 为实现上述目的，本发明提供的一种多量程的数字磁通门磁力仪，包括：三轴磁通门
传感器、前置
放大器、AD转换器、数字
信号处理电路、DA转换器、反馈
电流驱动器和电源电路；所述的前置放大器对三轴磁通门传感器经外界磁场感应得到的
电压信号进行放大处理，并通过AD转换器转化为
数字信号；所述的数字信号经数字
信号处理电路处理后，将生成的能够反应外界磁场矢量信息的信号分两路传输，其中一路信号向外输出，另一路信号经AD转换器转化为
模拟信号后，通过反馈电流驱动器输入至三轴磁通门传感器的反
馈线圈，形成闭环回路；所述的反馈电流驱动器内置电流继电器，用于控制闭环回路中的反馈电流强度；所述的电源电路用于为数字磁通门磁力仪供电。
[0006] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的数字信号处理电路包括：相敏解调器、积分器、降
采样器和spacewire总线；所述的相敏解调器、积分器和降采样器分别对数字信号进行相敏同步解调、积分和降采样处理；所述的数字信号处理电路通过spacewire总线向外输出经降采样处理后的信号。
[0007] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的数字信号处理电路还包括自激调节器，所述的自激调节器包括：依次连接的白噪声信号生成器、信号
叠加器、高频AD转换器和低通
滤波器；所述相敏解调器的输出端与信号叠加器连接，所述
低通滤波器的输出端与积分器连接，所述的信号叠加器将白噪声信号生成器输出的高频白噪声信号与相敏解调器输出的信号进行
波形叠加，并通过高频AD转换器和低通滤波器对叠加后的信号进行
过采样和低通滤波处理。
[0008] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的AD转换器将前置放大器放大处理后的电压信号转化为16位的数字信号，所述的自激调节器用于将16位的数字信号进行过采样调制后，获得24位的数字信号。
[0009] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的数字磁通门磁力仪设置有两个并联的三轴磁通门传感器，每一个三轴磁通门传感器与其对应的一条电路上设置的前置放大器、AD转换器、数字信号处理电路、DA转换器、反馈电流驱动器依次连接，并形成闭环回路；两个三轴磁通门传感器设置于不同的
位置上。
[0010] 作为上述技术方案的进一步改进，所述的三轴磁通门传感器上设置有温度传感器。
[0011] 本发明的一种多量程的数字磁通门磁力仪的优点在于：
[0012] 1、使用数字信号处理方式，可以将大量用以实现相同信号处理功能的
模拟器件全部只由一
块数字信号处理器来替代，降低磁通门磁强计的功耗及体积，同时避免模拟信号受外界过多的干扰；2、采用电流继电器实现磁场测量范围的多量程控制，提高了磁力仪的适用性；3、使用双机工作模式消除了
磁场梯度；4、使用更简单的器件实现高精度探测，有效的降低了成本；5、采用过采样调制方式实现数字磁强计的高分辨率输出，提升了当前磁通门磁强计的探测精度；6、使用spacewire协议与卫星进行通讯，提高通讯可靠性；7、由于高精度器件大多没有宇航级，无法实现外太空探测，而使用本发明中的电路，可以使用一般精度的宇航级器件实现高精度的探测效果。
附图说明
[0013] 图1为本发明
实施例中的一种多量程的数字磁通门磁力仪结构示意图。
[0014] 图2为环境磁场强度与感应电动势二次谐波强度之间的关系图。
[0015] 图3为本发明实施例中自激调节器的结构示意图。
[0016] 图4a为本发明中相敏解调器输出的被测信号的信号波形图。
[0017] 图4b为图4a中示出的被测信号经高频白噪声信号叠加后的信号波形图。
[0018] 图4c为图4b中示出的
叠加信号经过采样处理后的信号波形图。
[0019] 图4d为图4c中示出的信号经低通滤波处理后的信号波形图。
[0020] 图5为本发明实施例中采用双工结构的数字磁通门磁力仪结构示意图。
具体实施方式
[0021] 下面结合附图和实施例对本发明所述的一种多量程的数字磁通门磁力仪进行详细说明。
[0022] 如图1所示，本发明提供的一种多量程的数字磁通门磁力仪，包括：三轴磁通门传感器、前置放大器、AD转换器、数字信号处理电路、DA转换器、反馈电流驱动器和电源电路；所述的前置放大器对三轴磁通门传感器经外界磁场感应得到的电压信号进行放大处理，并通过AD转换器转化为数字信号；所述的数字信号经数字信号处理电路处理后，将生成的能够反应外界磁场矢量信息的信号分两路传输，其中一路信号向外输出，另一路信号经DA转换器转化为模拟信号后，通过反馈电流驱动器输入至三轴磁通门传感器的反馈线圈，形成闭环回路；所述的反馈电流驱动器内置电流继电器，用于控制闭环回路中的反馈电流强度；
所述的电源电路用于为数字磁通门磁力仪供电。
[0023] 所述的三轴磁通门传感器是由绕在磁芯上的初级绕组和包围磁芯的次级线圈组成的。传感器初级绕组通常加载一定
频率fo(～10kHz)的对称脉冲激励电流。在每个激励电流脉冲作用下，磁芯被饱和两次。如果有外磁场存在的情况下，会激发次级线圈中的二次谐波分量，二次谐波分量的幅度正比于外磁场的大小，磁通门磁力仪正是利用次级线圈中二次谐波正比于外磁场强度的原理来探测磁场。传感器输出的任意
偶次谐波均可作为被测磁场的量度，由于二次谐波幅值最大，故通常选取其二次谐波电压量度被测磁场。磁通门传感器利用
电磁感应原理来实现对磁场的检测，将磁信号转换为
电信号。但是，从图2中示出的环境磁场强度B与感应电动势二次谐波强度H之间的关系可知：如果信号线圈所处环境的磁场强度过高，则导致线性度不高，在此种情况下利用二次谐波强度来衡量外场强度时，必然会产生极大的误差。为此，在本发明中，通过设置的反馈电流驱动器将反馈信号输入至传感器的反馈线圈，用来抵销环境磁场，使传感器的线圈始终工作在零磁场附近，由于零场相对于开环磁芯中的非激励外磁场要小很多，这对外界被测磁场的影响就减小了，有利于线性度的提高，使线圈工作在最佳的线性区域，并有效抑制了温漂和零漂现象。
[0024] 本发明的磁力仪在反馈电流驱动器部分使用量程切换技术，以适应不同轨道的磁场环境。通过反馈电流驱动器中的一个电流继电器(量程分挡)来实现大量程及超高精度的双重效果，例如：在磁场幅值较大的区域可使用大量程档位来实现正负65000nT的磁场测量范围，而在磁场幅值较小的环境下，可将量程进行换挡调整为正负1000nT的测量范围，磁场测量范围减小为之前的1/65，而分辨率保持不变，所以此时测量精度提高了65倍。具体的实现方式为：由于本发明磁力仪的电路为闭环结构，所以反馈信号的电流强度直接影响积分器积分常数，从而影响系统的磁场测量范围，当反馈信号的电流较强时，磁场的测量范围较小，反之，当反馈信号的电流较弱时，磁场的测量范围较大；因此，通过控制电流继电器切换不同的档位，以增大或减小闭环回路中的反馈电流强度，即可实现磁场量程的控制。
[0025] 基于上述结构的电路，如图1所示，在本实施例中，所述的数字信号处理电路包括：相敏解调器、积分器、降采样器、spacewire总线和自激调节器；所述的相敏解调器、积分器和降采样器分别对数字信号进行相敏同步解调、积分和降采样处理，所述的自激调节器用于将16位的数字信号进行过采样调制后，获得24位的数字信号；所述的spacewire总线将降采样处理后的信号向外输出，而对于驱动电流继电器执行换挡操作的量程
控制信号，也可由spacewire总线从外部控制设备接收，并传输给电流继电器。
[0026] 由于整颗卫星所携带的仪器数量一般较多，使得卫星结构及系统较为复杂，而且在发明的磁力仪中，需要进行量程分档动作，下传的数据也较多，所以使用SPACEWIRE协议进行数据上下行，从而能够提高较
大数据的传输速率以及较强的数据交互能力，在本实施例中，可使用at7913e芯片来实现spacewire总线功能。
[0027] 利用上述电路进行信号处理的流程为：三轴磁通门传感器
输出信号进入前置放大器，对信号进行放大处理后，输出放大后的信号进入ADC进行
模数转换，将转换后的数字信号进入数字信号处理电路进行一系列处理；在数字信号处理电路中首先对ADC输出的16位数字信号进行相敏同步解调，然后对解调信号送入自激调节器，对信号进行抖动激励，随后自激调节器将调制后的信号输出到积分器，进行积分处理后输出，其中一路信号输出到DAC进行
数模转换，转换后的模拟量通过反馈电流驱动器输入到传感器反馈线圈，完成整个
闭环系统的信号处理，另一路信号经降采样处理后，通过spacewire总线向外输出。
[0028] 对于磁通门磁力仪而言，有效信号(二次谐波)的强度通常大大小于一次和三次谐波分量的强度，为彻底去除一次和三次谐波分量，必须采用相敏同步解调。相敏同步解调的原理是在基准信号的前半个周期对信号进行同相放大，在基准信号的后半个周期对信号进行反相放大。
[0029] 另外，所述的相敏解调器、自激调节器、积分器和降采样器均可由FPGA进行集成设计，从而进一步减小电路的功耗和体积。
[0030] 本发明的上述磁力仪采用信号抖动过采样技术，由此技术将16位数字信号增强为有效的24位数字信号，大幅提升了采样精度。将传统的磁通门磁力仪部分由模拟电路改为数字电路，使16位ADC和16位DAC实现24位采集精度，大大超越已有的磁通门精度
水平。
[0031] 如图3所示，所述的自激调节器具体包括：依次连接的白噪声信号生成器、信号叠加器、高频AD转换器和低通滤波器；所述相敏解调器的输出端与信号叠加器连接，所述低通滤波器的输出端与积分器连接，所述的信号叠加器将白噪声信号生成器输出的高频白噪声信号与相敏解调器输出的信号进行波形叠加，并通过高频AD转换器和低通滤波器对叠加后的信号进行过采样和低通滤波。经过相敏同步解调后的信号必须滤去高频分量，才能得到反映被测磁场强度大小的直流量。为此，通过低通滤波器可以得到最终反映被测磁场强度的电压值。所述的16位数字信号进入自激调节器后，对信号进行震荡调制，其原理为将具有一定强度的高频白噪声信号叠加到该16位数字信号中。
[0032] 由于高频白噪声信号频响曲线为平坦的一条直线，而滤掉低频部分后，剩余的高频部分不会与DAC输出的低频信号进行叠加而影响到系统输出信号。加入自激调节模块后，信号与量化噪声比值如以下公式所示：
[0033]
[0034] 其中，B为量化位数，即ADC位数；O为过采样倍数，即系统
采样频率与奈奎斯特采样速率的比值。由上述公式可看出，上述信号叠加处理可以显著提高系统
信噪比即系统输出精度。
[0035] 在本实例中，所述的白噪声信号生成器可使用随机函数生成一个高频白噪声信号，白噪声的频响曲线为一条平坦直线，在每个频点上的
能量均相等。如图4a所示，本实施例所采用的被测量信号为理想的正弦信号，则将高频白噪声信号与该被测量信号进行叠加后，生成的信号波形如图4b所示；之后进行高频AD转换后得到的数字信号如图4c所示，将转换后的数字信号进行低通滤波，最终输出如图4d所示波形的信号。通过比较图4a至图4d的信号波形变化情况，可以明显看出：相对于直接进行模数转换后得到的信号，经过自激调制
算法后的信号分辨率有了大幅提升。
[0036] 如图5所示，在本实施例中，所述的数字磁通门磁力仪采用双工结构，即设置两个并联的三轴磁通门传感器，每一个三轴磁通门传感器与其对应的一条电路上设置的前置放大器、AD转换器、数字信号处理电路、DA转换器、反馈电流驱动器依次连接，并形成闭环回路；使两个三轴磁通门传感器的输出端引出两路独立的信号处理电路，并将两个磁通门传感器放置于探测空间不同的位置上。使用双机工作模式，通过探测得到两组不同位置上的数据来抵消磁场误差。具体用于抵消磁力仪所搭载的设备自身产生的干扰磁场，以降低对磁力仪探测数据的干扰。
[0037] 所述数字磁通门磁力仪的三轴磁通门传感器上可设置有温度传感器，用来测量各磁场传感器的温度，并根据实验测得的温度曲线对温度数据结果进行反演，从而消除温度漂移误差。
[0038] 最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行
修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的
权利要求范围当中。
