[发明专利]一种基于预失真的超导磁补偿装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种超导磁传感器的磁补偿装置及方法，尤其是一种在传统磁通锁定环（FLL：Flux-Locked Loop）读出电路的基础上通过预失真的方式实现磁补偿的装置和方法。属于磁补偿领域。

背景技术

由超导量子干涉仪(SQUID：Superconducting QUantum Interference Device)组成的超导磁传感器是目前已知灵敏度最高的磁传感器，在磁屏蔽室内和静态工作环境下已有众多应用，但在无屏蔽环境或者运动平台中，由于外部强磁场变化或者切割地球磁力线等因素引入的磁场信号极容易导致高灵敏度的SQUID读出电路出现基线漂移甚至溢出而无法正常工作。

磁补偿方法是目前一种很实用的防止SQUID读出电路基线漂移或者溢出的方法，已知的磁补偿方法均采用体积较大的亥姆霍兹线圈或稳定性较差的二阶负反馈电路来实现。

CN201010228159公开了一种基于空间相关性的磁场主动补偿系统和方法，该系统利用磁通门和参考亥姆霍兹线圈处的环境波动反馈到测量亥姆霍兹线圈，虽然可以实现该线圈内三轴环境磁场的动态补偿，但是亥姆霍兹线圈构造复杂、体积较大，实际使用时有诸多不便，不适合在运动和野外环境下工作，而且在磁补偿时将低分辨率的参考磁传感器信号放大后直接驱动亥姆霍兹线圈，导致测量区域的本底噪声受其影响将高于参考磁传感器，SQUID的灵敏度优势受限。

又，CN102353911A公开了一种基于扰动补偿的环境场下高灵敏度磁测量装置及实现方法，主要适用于待测磁场信号频率高于环境场扰动频段（DC～30Hz）的应用环境，所述的方法在传统磁通锁定环读出电路的基础上引入具有不同通带特性的两级负反馈设计，分别实现高灵敏度磁场信号的读取和低频磁场干扰的补偿。虽然该方法可在不影响微弱信号测量的前提下抑制环境场扰动对SQUID磁测量的影响，但因为采用二阶负反馈电路，其稳定性较难控制，而且受SQUID的Feedback线圈（反馈线圈）反馈系数的影响，其可以补偿的磁场强度和频段范围均有限。

综上所述，现有磁补偿方法在运动和野外环境下工作时，不是存在适用性和可靠性问题，就是补偿范围或者本底噪声不理想，极大地影响了超导磁传感器在工业、科研和医疗领域的广泛应用和推广。

发明内容

为了解决现有的磁补偿方法在运动和野外环境下应用的局限性,本发明的目的在于提供一种基于预失真的磁补偿装置及相应的方法，所述的方法不仅能简化磁补偿装置，而且能在保证可靠性和有效提高磁补偿范围的前提下获得被测量的原始信号，同时基本不影响测量区域的本底噪声。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：所述的磁补偿装置通常由参考磁传感器、磁补偿电路和补偿线圈三部分组成，其中参考磁传感器可以是磁通门、磁阻或者SQUID，主要用于测量待补偿区域的磁场信号；磁补偿电路则从参考磁传感器测得的磁场信号中提取出待补偿频段的信号，然后按照某种函数关系通过补偿线圈形对特定区域的特定磁场进行补偿。

本发明可根据实际情况选择磁通门、磁阻或者SQUID作为参考磁传感器，但以磁通门的解决方案最佳，它不但能测量稳定的磁场，而且分辨率适中、环境适应能力强。磁补偿电路需要SQUID读出电路的配合方可工作。

与磁补偿电路配合的SQUID读出电路有磁通调制式和直读式两种，两者均基于磁通锁定环，其区别在于磁通调制式在直读式的基础上增加了调制解调电路和用于噪声匹配的变压器。本发明在两种电路上均可适用，现选用一种新型的直读式SBC（SQUID Boottrap Circuit）为例。磁通锁定环主要由SQUID芯片、前端放大器、偏置调节器、模拟积分器、反馈电阻和反馈线圈构成，其中SQUID通过低温电缆连接到前端放大器，然后由前端放大器输出依次串联连接偏置调节器、模拟积分器和反馈电阻，最后将反馈电阻与SQUID的反馈线圈连接。

本发明的基本原理是基于SQUID读出电路本身是一个相对稳定的负反馈系统，如果根据参考磁传感器测量值在SQUID读出电路正常工作的范围内通过补偿线圈产生与外界磁场强度近似，方向相反的预失真信号，虽然产生的预失真信号不可能与实际需要测试的外部磁场完全一致，但标定后系统能提供磁通锁定环电路和预失真电路在同一时刻输出的磁场强度，则可以通过软件补偿的方式获得被测对象的原始信号。需要强调注意的是标定的目的准确获取预失真电路提供的预失真信号强度，以方便后续的软件补偿计算。