[发明专利]基于多通道SQUID磁传感器的三轴磁探测模块

说明书

技术领域

本发明涉及超导SQUID磁传感器对地球磁场的测量，更确切地说本发明涉及一种基于多通道SQUID磁传感器的三轴磁探测模块。属于磁场测量技术领域。

背景技术

超导量子干涉器（SQUID）是一种由超导约瑟夫森结和超导环组成的超导量子器件，它的工作原理主要基于约瑟夫森效应和磁场量子化，其能够将磁场的微弱变化转化为可测量的电压，磁场灵敏度可达到fT量级，是目前最灵敏的磁场传感器，因此其在微弱磁场探测领域如生物磁场探测、无损检测、地球磁场探测等方面具有极大的发展和应用潜力。例如在地球物理探测中的大地电磁测深（Magnetotelluric，MT）和可控源音频大地电磁测深（CSAMT）应用中都需要高性能的磁场传感器来对目标磁场信号进行测量。

MT是对天然存在的区域性电磁场进行探测，这类天然电磁场具有很宽的频带，通过对这些天然电磁场的测量和数据分析，可了解地球岩石圈的电性结构，是研究深部地质构造和寻找油气田的基本勘探方法之一，近年来MT得到了很大的发展。由于MT天然场源的信号微弱，因此在应用中需要使用高灵敏度的磁传感器。

CSAMT与MT同属频率电磁测深范畴，两者的差异在于CSAMT的激励场源可以人工控制，针对MT场源的随机性和信号微弱，以致观测十分困难的状况，CSAMT采用可以人工控制发射电流及其频率的电偶极子或磁偶极子作为场源，通过测量距场源较远地点位置的不同发射频率下的电磁场信号，来计算出不同频率下的视电阻率，以反映出地下电阻率的分布特征。

在进行大地电磁测量时，通常既进行MT测量，也进行CSAMT测量，它们都需要灵敏的磁传感器。另外，CSAMT的目标信号是不同发射频率所引发的磁场，地球环境磁场看作噪声，因此，其系统的信噪比性能是其关注的一个重点指标，通常利用多次叠加的方法来降低地球环境磁场噪声的影响，因此需要对单一频率的场进行长时间测量。

然而，将超导SQUID磁传感器应用于MT和CSAMT时，目前都使用单通道SQUID传感器进行磁场测量，采用磁通调制锁定电路来读出SQUID所感应的磁信号（DANTSKER,E etc.HIGH-T-C3-AXIS DC SQUID MAGNETOMETER FOR GEOPHYSICAL APPLICATIONS），据报道，至今中国科学院上海微系统与信息技术研究所也只利用超导SQUID磁传感器器件进行了MT和CSAMT方面的应用研究。在磁测过程中，MT测量具有频带比较宽的特点，而CSAMT为了改善系统的信噪比，采用信号平均的处理方法，因此需要在一个测量点进行长时间测量，测量时间大于半小时，不利于工程化应用。

本发明拟针对上述超导SQUID磁传感器的测量特点，试图提供一种基于多通道SQUID传感器的三轴探测模块，它不但能够测量三个正交方向的磁场，而且可以针对MT和CSAMT的不同要求，灵活改变模块结构以适应其要求，进而可以提高工作效率。另外，这种探测模块同样有望可以应用于其它微弱磁场探测领域之中。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于多通道SQUID磁传感器的三轴磁探测模块。本发明设计一种三轴磁场探测模块，三个方向相互正交，分别对应空间中XYZ方向。对每一个方向的磁场测量由多个通道超导SQUID传感器完成，多个通道SQUID既能够构成串联阵列，也可以通过改变连接次序构成并联阵列，串联阵列可以提高测量的灵敏度，并联阵列可以提高测量的信噪比和工作效率。进一步特征描述如下：

（1）三轴磁场探测模块

超导SQUID磁传感器是一种矢量传感器，只能测量垂直于器件平面方向的磁场变化量。在进行微弱磁场信号测量时，因为微弱磁场信号与超导SQUID磁传感器器件平面不是完全垂直的，因此SQUID磁传感器所感应的是待测磁场信号垂直于SQUID平面的分量，甚至在某些情况下，单轴SQUID测量不到磁场信号，如磁偶极子的电流环产生的磁场分布如图1，从图中可以看出来，在A、B、C、D和E这些列出的点上，若采用单轴测试，箭头标注的方向磁场就测不到了，导致测量出来的磁场值其实不准确，另外，不仅仅是这些特殊点，在偏离这些特殊点不远的附近，有时候磁场信号是非常微弱的，测量出来的效果并不满意。采用三轴磁探测模块可以解决上述问题，三轴模块由3个方向的磁传感器构成，如图2所示，这3个方向相互正交，如此，待测磁场信号可以按照这三个方向进行分解，每个方向的磁传感器测量对应其方向的磁场，并可以由此三个信号计算出磁场矢量。

（2）串联SQUID阵列