子午工程二期宽频地磁波监测仪研制.pdf

于向前，和冬华，肖池阶，宗秋刚，施伟红，刘斯，陈鸿飞，王永福，邹鸿.2024.子午工程二期宽频地磁波监测仪研制.地球与行星物理论评（中英文），55（1）：6-14.doi：10.19975/j.dqyxx.2023-007.YuXQ,HeDH,XiaoCJ,ZongQG,ShiWH,LiuS,ChenHF,WangYF,ZouH.2024.Developmentofthewidebandmagneticfieldwavemoni-torforthePhaseIIofChineseMeridianProject.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,55(1):6-14(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2023-007.子午工程二期宽频地磁波监测仪研制于向前1，和冬华1，肖池阶2*，宗秋刚1，施伟红1，刘斯3，陈鸿飞1，王永福1，邹鸿11北京大学地球与空间科学学院，北京1008712北京大学物理学院，北京1008713长沙理工大学物理与电子科学学院，长沙410114摘要：地球的磁层中存在各种波现象，其频率从 mHz 延伸到数千 Hz.这些波的研究一直是空间物理学研究的核心问题.针对目前世界上地磁台站的波监测设备均为各自测量相对变化、缺乏统一标定、无法进行从高纬到低纬联合观测、无法进行多台设备观测数据的统一对比研究的现状，本文综合使用磁阻传感器（探测 ULF 频段：1mHz2Hz）、巨磁感抗传感器（探测 ELF 频段：0.2Hz2kHz）和线圈传感器（探测 VLF 频段：0.2kHz10kHz）研制新一代的宽频地磁波监测仪，将这些监测仪放置在 120E 子午链附近的黑龙江漠河站（高纬）、北京十三陵站（中纬）、海南乐东站（低纬）等典型区域的地磁台站上，并对各个台站的设备进行统一的时间、振幅和频率标定，结合 FY-3E、SMILE 等近地空间卫星数据，全面提升对地球磁层的各种波现象的探测能力.研制的宽频地磁波监测仪的性能测试实验表明，其具有对一定频率（1mHz10kHz）的波的探测能力；其幅度探测范围为：65000nT（ULF 频段）、1000nT（ELF 频段）、100pT（VLF 频段）；在量程范围内又具有较低的非线性误差：ULF 频段0.0446%、ELF 频段0.51%、VLF 频段1.18%；噪声水平也较低：RMS（方均根）噪声0.5554nT（ULF 频段）、NPS（功率谱）噪声0.028nT/Hz（ELF 频段）、NPS（功率谱）噪声0.24pT/Hz（VLF 频段）.所有这些特点使得所提出的宽频地磁波监测仪能够满足子午工程二期的波探测需求.关键词：子午工程二期；宽频地磁波监测仪；磁阻传感器；巨磁感抗传感器；线圈传感器doi：10.19975/j.dqyxx.2023-007中图分类号：P352文献标识码：ADevelopment of the wideband magnetic field wave monitor forthe Phase II of Chinese Meridian ProjectYuXiangqian1,HeDonghua1,XiaoChijie2*,ZongQiugang1,ShiWeihong1,LiuSi3,ChenHongfei1,WangYongfu1,ZouHong11SchoolofEarthandSpaceSciences,PekingUniversity,Beijing100871,China2SchoolofPhysics,PekingUniversity,Beijing100871,China3SchoolofPhysicsandElectronicScience,ChangshaUniversityofScience&Technology,Changsha410114,ChinaAbstract:TherearevariousmagneticfieldwaveswithfrequenciesrangingfrommHztothousandsofHzintheEarthsmagnetosphere.Thesewavescanbecategorizedintothreeclassesdependingontheirperiod:ULF(mHztoHz),ELF(HztohundredsofHz),andVLF(hundredsofHztothousandsofHz).Theregularandcontinu-ousultra-low-frequency(ULF)wavesinthemagneto-sphere,rangingfrom1mHztoafewHz,areimportantto收稿日期：20230226；录用日期：20230421基金项目：中国子午二期项目（8201701679）SupportedbythePhaseIIofChineseMeridianProject(GrantNo.8201701679)第一作者：于向前（1983-），男，博士，高级工程师，从事空间磁场探测研究.E-mail：*通信作者：肖池阶（1975-），男，教授，主要从事磁层物理研究.E-mail：第55卷第1期地球与行星物理论评（中英文）Vol.55No.12024年1月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsJan.,2024geomagneticmicropulsations.Recently,whistlermodewavesgeneratedbylightningandextremelylow-frequency(ELF)bursts,whichcanbeattributedtoearthquakes,weredetectednearthesurface;theirfrequenciesrangefromseveralHztoafewhundredHz.Theresearchonthecharacteristicsofionosphericplasmadisturbancecausedbytheknownground-basedverylowfrequency(VLF)transmitters,whosefrequenciesrangefromafewhundredtoafewthousandHz,isofgreatsignificanceforanalyzingchangesintheionosphericenvironment.Thesemagneticfieldwavesarecrucialforstudyingvariousspacephysicalphenomena.Asthewavemonitoringequipmentofglo-balgeomagneticstationsmeasuresrelativechangesandalackofunifiedcalibration,theycannotconductjointob-servationsfromhightolowlatitudesandunifiedcomparativestudiesoftheobservationaldatafrommultiplesensors.Themagnetoresistancesensor(ULF:0.1mHz2Hz),giantmagneto-inductancesensor(ELF:0.2Hz2kHz),andcoilsensor(VLF:0.210kHz)isusedtodevelopanewgenerationofbroadbandgeomagneticwavemonitors,whichareplacedonthegeomagneticstationsintypicalareassuchasMohe(highlatitude),BeijingsMingTombs(middlelatitude),andSanyaLedong(lowlatitude),nearthe120meridianchain.Combinedwiththedataofnear-EarthspacesatellitessuchasFY-3EandSMILE,theobservationabilityofvariouswavephenomenaintheEarthsmagnetospherewillbecomprehensivelyimproved.Theperformancetestexperimentshowsthatthede-velopedwavemonitorcandetectthefluctuatingmagneticfieldataparticularfrequency(1mHz10kHz);magne-ticfielddetectionrangesof:65000nT(ULFfrequencyband),1000nT(ELFfrequencyband),and100pT(VLFband);withlownonlinearerrors:ULFfrequencyband0.0446%,ELFfrequencyband0.51%,andVLFfrequencyband1.18%;andlownoiselevels:RMS0.5554nT(ULFfrequencyband),NPS0.028nT/Hz(ELFfrequencyband),andNPS0.24pT/Hz(VLFband).ThesecharacteristicsenabletheproposedbroadbandgeomagneticwavemonitortomeetthePhaseIIofChineseMeridianProjectmagneticfielddetectionrequirements.Keywords:PhaseIIofChineseMeridianProject;broadbandgeomagneticwavemonitor;magnetoresistance;giantmagneticinductivesensor;coilsensor0引言地球的磁层中存在各种波现象，其频率从mHz 延 伸 到 数 千 Hz（Bleier and Dunson,2005;Moldwin,2008;RaeandWatt,2016）.磁层中规则且连续的超低频（ULF）波，范围从 1mHz 到Hz，是地磁微脉动的重要组成部分，对于理解波-粒子相互作用非常重要（Jacobsetal.,1964;Regolietal.,2018）.最近，在地表附近检测到了由闪电和极低频（ELF）爆发产生的哨声模式波，这些爆发可能是由地震引起的，其频率在几 Hz 到几百 Hz 之间（BleierandDunson,2005）.此外，还存在频率在几百 Hz 到几千 Hz 之间的甚低频（VLF）波.这些波对磁层带电粒子的加速、传输和损失有重要作用，被认为是地球辐射带形成和演化的主要机制（Jacobsetal.,1964;Regolietal.,2018）.对这些波的研究一直是空间天气与空间物理学研究的核心问题.这些波可沿磁力线或横跨磁力线运动，并在其接近地球时与电离层发生相互作用，引起地球表面不同纬度地区的磁场在多个频率上的扰动.使用多点地磁台站的 ULF/ELF/VLF 地磁波动进行监测，并将波动数据结合 FY-3E、SMILE 等空间卫星数据，有望获得这些波的激发、传播、耗散等整体信息，从而促进地球辐射带的形成、磁层/电离层耦合等磁层主要科学问题的理解，提升磁暴期间高能电子的产生、输运和损失等空间天气事件的监测和预报.地面台站的 ULF/ELF/VLF 波动信号的监测具有长期持续、便于监控的优势.它的组网观测也能建立全球性（包括不同 L-shell、不同磁地方时）的 ULF/ELF/VLF 波分布特征，为深入认知、理解各类（包括自然的与人工的）ULF/ELF/VLF 波的激发特性及（向上、向下）传播行为提供必不可少、至关重要的研究窗口与分析手段.因此，沿 120E子午链对 ULF/ELF/VLF 扰动进行观测，并结合多颗卫星数据，可以获得大量 ULF/ELF/VLF 波动的相关信息，从而提升对这些波动的理解，不仅可用于研究各类哨声波在低纬区域的时空分布特征，建立可靠的波动分布模型与传播模型，而且可用于细致、深入地研究极区各类哨声波的磁层与电离层效应.地磁扰动的频率范围很大.目前世界上有大量第55卷第1期于向前，等：子午工程二期宽频地磁波监测仪研制7专门测量 ULF 波、ELF 波或 VLF 波的设备和站点，但均为各自测量相对变化，缺乏统一标定，无法进行从高纬到低纬联合观测、无法进行多台设备观测数据的统一对比研究.自从子午工程一期实施以来，我国已经在 120E 子午链附近和 30N 纬度链上建立了地磁场和地电场的监测网.子午工程二期计划在如表 1 所示的台站安装一些高精度的 ULF/ELF/VLF 波动测量仪器，频率测量范围为 1mHz10kHz.设备属于子午工程二期空间环境监测系统地磁监测网分系统.这些宽频磁场波动监测仪，将进行统一的时间和振幅标定，以用于统一观测和对比.首先，在实验室中，采用统一的定标设备（振幅和频率相同）对各个设备进行振幅和频率的统一标定.其次，后续安装在地磁台站后，还会结合台站其它地磁测量设备的数据对各个设备进行统一的振幅和频率标定.这将为系统地分析地球子午圈上ULF/ELF/VLF 波的产生和传播机制、发生率和空间分布、及其空间环境效应提供充足的科学数据.从而有望对地球辐射带的形成、磁层/电离层耦合等磁层重大科学问题有突破性贡献.由于宽频地磁波监测仪主要布局在 120E 子午链附近，因此，不能获得波动的地方时分布.表1宽频磁场波动监测仪部署位置清单Table1Theinstallationpositionofthewidebandmagneticfieldwavemonitor观测站点经度/（）纬度/（）海拔/m备注说明黑龙江漠河站（黑龙江省漠河县北极镇北极村）122.4E53.5N298除了安装1套宽频磁场波动监测仪以外，另安装2套超低频磁场波动监测仪，分别位于宽频磁场波动监测仪东西两侧约100m处.北京昌平十三陵站（北京市昌平区十三陵镇德胜口村）116.2E40.3N184宽频磁场波动监测仪放置在离机房1015m附近海南乐东站（海南省乐东黎族自治县九所新区山脚村中科院台站）109.6E18.3N51宽频磁场波动监测仪放置在离机房1015m附近1设计方案 1.1 总体方案我们根据子午工程二期地磁波动监测的科学目标，专门研制新的宽频地磁波监测仪，在地磁波动频率为 1mHz10kHz 的大范围内，进行统一的时间、振幅和频率标定，是对地球磁层的各种波现象观测能力的全新提升.子午工程二期宽频地磁波监测仪安装台站、组成结构及探测目标如图 1 所示.根据测量地磁波动随纬度的变化规律，在这三个台站各安装一套完整的宽频地磁波监测仪（包含 ULF/ELF/VLF 波探测器）.探测器放置在各地磁台站点的站内离机房1015m 附近.数据采集器放置在各地磁台站点的站内机房.此外，为了实现对高纬地区高模数ULF/ELF 波的环向波模分辨，在漠河站除了安装一套宽频地磁波监测仪以外，再安装两套超低频波探测器（即宽频地磁波监测仪中的 ULF/ELF 波组件），分别位于宽频地磁波监测仪东西两侧100m 处.监测仪针对频率为 1mHz10kHz 的波进行监测，因频率跨度大，分三个频段进行探测：ULF 频段（1mHz2Hz）采用磁阻传感器、ELF 频段（0.2Hz2kHz）采用巨磁感抗传感器、VLF 频段（0.2kHz10kHz）采用线圈传感器.每个频段的传感器相互独立，均可实现对三个正交方向的磁场波动的测量.传统意义上，ULF 频段频率范围从mHz 到几 Hz，ELF 频段频率范围从几 Hz 到几百Hz，VLF 频段频率范围从几百 Hz 到几千 Hz.交叉的频段用于交叉验证和定标.宽频地磁波监测仪的组成及内部接口如图 2 所示.1.2 磁阻传感器磁阻传感器基于美国 Honywell 公司生产的一种 4 段桥式各向异性磁阻传感器 HMC1001 进行设计.本项目根据 HMC1001 的特征，设计了基于相敏解调原理的微弱信号提取电路.HMC1001 是单轴海南乐东站(低纬)北京十三陵站(中纬)黑龙江漠河站(高纬)宽频地磁波监测仪 1宽频地磁波监测仪 2宽频地磁波监测仪 3超低频波探测器 1超低频波探测器 2监测地磁波的纬度分布及时间演化辅助监测高模数ULF/ELF 波图1宽频地磁波监测仪安装台站、组成结构及探测目标Fig.1Installationstation,compositionstructure,anddetectiontargetofthewidebandmagneticfieldwavemonitor8地球与行星物理论评（中英文）2024年的传感器，本项目采用三个单轴 HMC1001 传感器组成三轴矢量磁强计.设计的电路原理框图如图 3所示.HMC1001 芯片还自带置位/复位电流带（S/R）与偏置电流带（OFFSET）功能管脚（葛丽丽等，2017）.S/R 信号可以消除强磁场对磁场传感器的历史影响，提高信号输出，有效地消除温漂、非线性失真等影响，大大提高了磁阻式传感器的灵敏度（葛丽丽等，2017）.“HMC1001”单元输出与所加磁场成比例的微弱电压信号，该微弱电压信号送至“放大器”单元进行初步放大，后送至“相敏解调电路”单元进行解调，随后再送至“差分放大”单元和“积分滤波电路”单元，输出与所加磁场成比例的放大的电压信号.输出的电压信号同时作为OFFSET 进行反馈，整个电路工作在闭环工作模式.相敏解调电路受振荡电路的时钟控制.闭环工作模式还能够稳定电路的工作状态和放大倍数，减小非线性失真，扩展频带（葛丽丽等，2017）.所研制的三轴磁阻传感器如图 4 所示.1.3 巨磁感抗传感器巨磁感抗传感器基于 MI-CB-DJ 进行设计.MI-CB-DJ 由日本 AICHI 公司生产（Honkura,2002;NakayamaandUchiyama,2015）.本文亦称之为AICHI 磁场传感器.它是一种基于 1993 年在非晶导线中发现的巨磁阻抗（GMI）效应的新型微型磁传感器（Diaz-Michelena,2009）.施加的轴向磁场强度的变化将导致非晶丝的轴向磁导率的变化，从而导致其趋肤深度的变化，然后导致交流阻抗的明显变化，这种现象被称为 GMI 效应（Archeretal.,2015）.与传统霍尔传感器、磁阻（MR）传感器、巨磁阻（GMR）传感器和磁通门传感器相比，AICHI 传感器具有高性能和低功耗的优势（Diaz-Michelena,2009）.AICHI 磁场传感器的工作原理如图 5 所示（Hamadaetal.,2014;Honkura,2002;Kannoetal.,1997;Mohri et al.,2001,2002;Nakayama andUchiyama,2015）.其基本原理为非晶磁性材料（Co 系）在高频脉冲电流的激励信号的激励下，产生趋肤效应，其磁电阻随外磁场而发生变化的现象.“激励信号”单元输出频率为 1MHz、占空比为 50%、幅度为 5V 的高频电流脉冲信号.AICHI三轴磁阻传感器三轴巨磁感抗传感器及模拟电路三轴线圈传感器磁阻传感器模拟电路线圈传感器模拟电路数据采集系统电源系统数据存储系统图2宽频地磁波监测仪组成及内部接口Fig.2Composition and internal interface of the widebandmagneticfieldwavemonitorHMC1001放大器HMC1001放大器HMC1001放大器相敏解调电路OFFSETS/R振荡电路差分放大积分滤波电路图3HMC1001 信号处理电路的电路框图（于向前等，2023）Fig.3Circuit diagram of signal processing circuit based onHMC1001(Yuetal.,2023)图4研制的磁阻传感器照片Fig.4Photoofthemagnetoresistancesensor激励信号相敏解调电路差分放大电路积分滤波电路非晶磁性材料图5AICH 信号处理电路的电路框图Fig.5SchematicofthesignalprocessingcircuitbasedontheAICHIsensor第55卷第1期于向前，等：子午工程二期宽频地磁波监测仪研制9传感器，即“非晶磁性材料”单元在该高频电流脉冲激励下，输出经该高频电流脉冲和外加磁场调制过的信号.为了能够得到反映外加磁场变化的信号，就必须对该信号进行解调.高频电流脉冲为“相敏解调电路”单元提供同步信号.信号经过“相敏解调电路”单元进行解调，随后经过“差分放大电路”单元和“积分滤波电路”单元，得到放大的电压信号，该电压信号与敏感轴向所加磁场呈比例.MI-CB-DJ 是单轴的传感器，本项目采用三个单轴 MI-CB-DJ 传感器组成三轴矢量磁强计，并根据其特征，设计了激励信号产生电路.所研制的三轴巨磁感抗传感器如图 6 所示.图6研制的巨磁感抗传感器照片Fig.6Photoofthegiantmagneticreactancesensor 1.4 线圈传感器线圈传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应定 理（Le Contel et al.,2016;Sran and Fergeau,2005）.与其它类型磁传感器相比，线圈传感器制作简单，成本低，且频带较宽、灵敏度高，适合高频磁场测量.多年来，一直被地面站用于研究各种波现象（几 Hz 到几十 kHz）.其工作原理是线圈两端的感应电动势 e 与磁感应强度 B 随时间的变化率、磁芯的有效导磁率 app、感应线圈匝数 N、磁芯的横截面积S以及电路的放大倍数 A 成正比，即：e=ANddt=appNSAdBdt挑选高磁导率磁芯材料并合理高效地设计布局磁芯，提高 app和有效面积 S 是传感器设计的关键.本项目设计的线圈传感器采用高电导率的坡莫合金材料作为磁芯，采用分格方法绕制感应线圈，以此降低分布电容，提高频带宽度.采用超低噪声JFET 分 立 放 大 元 器 件 MAT12（电 压 噪 声 1nV/Hz）设计前置放大器，采用低噪声集成运放LT1457（电压噪声13nV/Hz）设计主放大器.所研制的线圈传感器如图 7 所示.图7研制的线圈传感器照片Fig.7Photoofthesearchcoil 1.5 电源及数据采集系统电源系统负责给整个监测系统供电.数据采集CPU接口电路AD976数据采集GPS 模块AD7710数据采集来自上位机的指令控制 AD 转化并读取数据GPS 信息供电发送数据数据存储器读写数据控制 AD 转化并读取数据图8数据采集系统软件构成及硬件接口Fig.8Softwarecompositionandhardwareinterfaceofthedataacquisitionsystem10地球与行星物理论评（中英文）2024年系统软件构成及硬件接口如图 8 所示.数据采集系统负责传感器输出的模拟信号的 AD 转化，并将数据打包，送至数据存储器，此外，还接收GPS/GNSS 时间信号.三轴磁阻传感器的采样频率为 5 Hz，由 CPU 控 制 三 个 24 位 AD 转 换 器AD7710 完成数据采集，量程为65000nT，采样精度优于 0.1nT；三轴巨磁感抗传感器的采样频率为 5 kHz，由 CPU 控 制 三 个 16 位 AD 转 换 器AD976 完成数据采集，量程为1000nT，采样精度优于 0.01nT；三轴线圈传感器的采样频率为 50kHz，由 CPU 控制三个 16 位 AD 转换器 AD976A完成数据采集，量程为100pT，采样精度优于1fT.2性能测试实验为了减少地磁场和周围杂散磁场的干扰，性能测试实验在 6 层坡莫合金磁场屏蔽筒内进行.屏蔽筒内部尺寸为 6002000mm.测试时间选择在地磁平静的夜晚（Kp 指数4），此时各种外界杂散干扰磁场也小.磁强计的性能测试实验主要包括量程、非线性度和灵敏度测试、噪声测试和频率响应.对于性能测试实验，分频段进行测试.2.1 量程、线性度和灵敏度测试为了使磁场测量结果真实可靠，在整个测量范围内，宽频地磁波监测仪对外界施加磁场的响应应该是线性的，且外界施加磁场不应超过磁强计的测量范围（即量程）（于向前等，2023）.将磁场传感器安装在赫姆霍兹线圈系统中央，如图 9 所示，利用高精度电流源给赫姆霍兹线圈系统施加电流，从而产生标准磁场.调节标准磁场大小，同时微调传感器被测轴的指向，使输出值达到最大，此为传感器量程.在量程范围内改变输入标准磁场大小若干次，同步记录输出电压大小.传感器在每个磁场施加值下测量至少 100s，最后选取这 100s 的平均值作为该测量点的输出.这里需要注意的是，由于 ULF 频段的下限频率很低（1mHz），这里施加 DC 磁场.ELF 频段施加正弦磁场的频率为 200Hz，施加磁场和输出信号幅度均取峰峰值.VLF 频段施加正弦磁场的频率为 2kHz，施加磁场和输出信号幅度也均取峰峰值.ULF 频段和 ELF 频段测试设备有 5 套，VLF 频段测试设备有 3 套，这里仅给出一组典型测试结果.完成传感器单个轴向的测试后，改变传感器轴向指向，重复上述试验步骤，测量另外两轴向的性能.然后根据实际测量值进行数值拟合计算得到传感器的转换系数、非线性误差及量程范围等参数.测试结果如图 10-12 和表 2-4 所示.其中，线性拟合方程为 B=KV+B0.B 为所施加的磁场值，为已高精度电流源 磁传感器 R1 磁强计输出 磁屏蔽筒赫姆霍兹线圈图9磁场传感器性能测试实验示意图Fig.9Schematicdiagramofthemagneticfieldsensorperfor-mancetestexperiment电压/VB/nT2.582.0 1.5 1.0 0.500.51.02.01.5X 轴Y 轴Z 轴2.564202468104线性度图10量程、线性度和灵敏度测试结果（ULF 频段）Fig.10Range and nonlinearity test results(ULF frequencyband)电压/VB/nT00246810121416X 轴Y 轴Z 轴185001000150020002500线性度图11量程、线性度和灵敏度测试结果（ELF 频段）Fig.11Range and nonlinearity test results(ELF frequencyband)电压/VB/pT150234567X 轴Y 轴Z 轴8150100200250300350线性度图12量程、线性度和灵敏度测试结果（VLF 频段）Fig.12Range and nonlinearity test results(VLF frequencyband)第55卷第1期于向前，等：子午工程二期宽频地磁波监测仪研制11知数值.V 为磁强计的输出电压，为测量值.K 为线性拟合系数，为拟合值.B0为线性拟合零点，为拟合值.K 反映了每单位输出电压代表的磁场值，即灵敏度.B0的拟合数值不一定是磁强计的真实“零点”，它与磁场屏蔽内的剩余磁场和磁场传感器的零位相关.由量程测试结果可知，它的磁场探测范围为：65000nT（ULF 频段）；1000nT（ELF频段）；100pT（VLF 频段）.同时又具有较低的非线性误差（拟合值-实测值）/量程：ULF 频段0.046%；ELF 频段0.510%；VLF 频段1.18%.2.2 噪声磁场传感器的噪声水平反映了其可以测量的磁场的最小变化量（于向前等，2023）.将磁场传感器放置于磁场屏蔽筒内，进行长时间测试，即可得到磁场传感器的噪声水平.噪声测试结果如表 5-7所示.由于 ULF 频段测量信号频率较低（1mHz），噪声采用 RMS（方均根）值，反映了磁场测量值的离散程度，它具有明显的白躁声特性.ELF 频段噪声和 VLF 频段噪声采用功率谱密度值（NPS），功率谱密度值与频率密切相关，在整个频率范围内变化.ELF 频段噪声选取工频信号频率 50Hz 处的功率谱噪声，为所测频段范围内的最大值.VLF 频段噪声也选取测量频段范围内（0.2kHz10kHz）的最大功率谱噪声.2.3 频率响应磁场传感器必须具有探测特定频率范围内的变化磁场的能力.频响测试装置与量程测试装置相同，如图 9 所示.将磁场传感器安装在赫姆霍兹线圈系统中央，利用高精度电流源产生正弦电流通入赫姆霍兹线圈，从而使线圈系统产生交变磁场，固定输入线圈的电流源大小，调整磁场变化频率（ULF 频段：0.1mHz2Hz；ELF 频段：0.2Hz2kHz；VLF 频段：0.2kHz10kHz），同步记录输出结果，确定仪器可检测频率范围.输出电压会随着频率的变化而变化，这定义为频率响应.记录正弦磁场的频率和相应频率下的输出电压，经过计算即可得到频率响应曲线，如图 13-15 所示.横坐标为施加磁场的频率，单位为Hz；纵坐标为带宽，单位为 dB，为一个工程参数，计算公式为：20log(Vout/Vmax)，其中，Vout为各个频率下的输出电压，Vmax为各个频率下的输出电压最大值.可以看到，输出信号幅度会随着频率发生变化.对于 ULF 频段，在整个频率（DC-2Hz）范围内，信号没有衰减，始终为 0dB；对于 ELF 频段，在整个频率（0.2Hz2kHz）范围内，信号发表2灵敏度和非线性度测试结果（ULF 频段）Table2Sensitivitiesandnon-linearitytestresults(ULFfre-quencyband)轴向K/(nTV1)零点B0/nT非线性误差/%X26755.615.10.0370Y30774.01168.60.0233Z26363.9560.50.0446表3灵敏度和非线性度测试结果（ELF 频段）Table3Sensitivitiesand non-linearity test results(ELF fre-quencyband)轴向K/(nTV1)零点B0/nT非线性误差/%X145.32.40.35Y222.810.30.51Z132.313.30.47表4灵敏度和非线性度测试结果（VLF 频段）Table4Sensitivitiesandnon-linearitytestresults(VLFfre-quencyband)轴向K/(pTV1)零点B0/pT非线性误差/%X46.538.50.78Y55.943.01.18Z50.336.10.79表5ULF 频段的噪声测试结果Table5Noisetestresults(ULFfrequencyband)轴向RMS噪声/nTX0.4777Y0.5554Z0.4760表6ELF 频段的噪声测试结果Table6Noisetestresults(ELFfrequencyband)轴向功率谱噪声（NPS）nT/Hz50HzX0.028Y0.027Z0.018表7VLF 频段的噪声测试结果Table7Noisetestresults(VLFfrequencyband)轴向功率谱噪声（NPS）pT/Hz0.210kX0.24Y0.20Z0.2112地球与行星物理论评（中英文）2024年生了衰减，最大为17dB；对于 VLF 频段，在整个频率（0.2kHz10kHz）范围内，信号发生了衰减，最大为12dB.我们将在未来的实际探测中进行幅度校准.我们还检查了输入磁场和输出电压之间的相位差，几乎没有差别，一个典型的输入磁场和输出电压之间的相位关系如图 16 所示.3讨论本文针对目前世界上的 ULF/ELF/VLF 波监测设备均为各自测量相对变化、缺乏统一标定、无法进行从高纬到低纬联合观测、无法进行多台设备观测数据的统一对比研究的现状，综合使用磁阻传感器（探测 ULF 频段：1mHz2Hz）、巨磁感抗传感器（探测 ELF 频段：0.2Hz2kHz）和线圈传感器（探测 VLF 频段：0.2kHz10kHz）研制新一代的宽频地磁波监测仪，并对各个台站的设备进行统一的时间、振幅和频率标定，是对地球磁层的各种波现象观测能力的全新提升.经过性能实验测试，它具有对一定频率（0.1mHz10kHz）的波动磁场探测的能力，它的磁场探测范围为：65000nT（ULF 频段）、1000nT（ELF 频段）、100pT（VLF 频段）；在量程范围内又具有较低的非线性误差：ULF 频段0.0446%、ELF 频段0.510%、VLF 频段1.18%；噪声水平也较低：RMS0.5554nT（ULF 频 段）、NPS0.028 nT/Hz（ELF 频段）、NPS0.24pT/Hz（VLF 频段）.所有这些特点使得所提出的宽频地磁波监测仪能够满足子午工程二期的磁场探测需求.数据与来源数据来自实验室实测所得.致谢感谢子午工程二期各级领导的大力支持.ReferencesArcher M O,Horbury T S,Brown P,et al.2015.The MAGIC ofCINEMA:Firstin-flightscienceresultsfromaminiaturisedaniso-tropic magnetoresistive magnetometerJ.Annales Geophysicae,33:725-735.BleierT,DunsonC.2005.ELFmagneticfieldmonitoringoftheSanSimeon M6.4 quake from both Quakesat and a groundnetworkC/ProceedingsoftheInternationalWorkshoponSeismo-Electromagnetics,Tokyo,Japan,MarchIssue.2005.Diaz-MichelenaM.2009.Small magnetic sensors for space applica-tionsJ.Sensors,9:2271-2288.GeLL,RenQY,ZhaoH.2017.Designandperformancetestofhigh-频率/Hz输出比/dB1021011001015X 轴Y 轴Z 轴432101频率响应图13磁场传感器的频率响应曲线（ULF 频段）Fig.13Frequencyresponsecurveofthemagneticfieldsensor(ULFfrequencyband)频率/Hz输出比/dB10110110010210310420X 轴Y 轴Z 轴15105频率响应0图14磁场传感器的频率响应曲线（ELF 频段）Fig.14Frequencyresponsecurveofthemagneticfieldsensor(ELFfrequencyband)频率/Hz输出比/dB10310415X 轴Y 轴Z 轴105频率响应0图15磁场传感器的频率响应曲线（VLF 频段）Fig.15Frequencyresponsecurveofthemagneticfieldsensor(VLFfrequencyband)图16典型的输入磁场（上线）和输出电压（下线）之间的相位关系Fig.16Thephaserelationshipbetweentypicalinputmagneticfield(upperline)andoutputvoltage(lowerline)第55卷第1期于向前，等：子午工程二期宽频地磁波监测仪研制13precisionmagnetoresistivemagnetometerforspaceapplicationsJ.SpacecraftEnvironmentEngineering,34(2