双星星上部件磁测及磁测设备

双星是我国与欧空局合作的科学探测卫星“TC-1”和“TC-2”．星上安装的探测仪器其中有磁强计和低能粒子探测器,它们要求卫星的磁性对它们的影响小．对整星的磁矩要求为643 mA·m~2,对星上的各种部件(包括仪器和设备)也提出了磁设计标准,大部分部件的磁矩要求为5 mA·m~2以下．因此各仪器设备安装到星上之前,都要进行磁性测量控制,以满足整星的磁要求．本文介绍了星上的磁性来源(剩磁、感磁和电流引起的杂散磁场)、磁测的设备(屏蔽筒和螺线管线圈,磁强计及磁强计用小型无磁性转台,平台和导轨,充、退磁线圈,充、退磁电源,特斯拉计,无磁性转台,标准磁矩磁铁,补偿磁铁)和磁测的方法．     

基于行星际磁场阿尔芬特性的星载磁通门磁强计在轨标定新方法

准确的磁场测量对深入研究空间等离子体环境具有重要意义.星载磁通门磁强计的磁补偿随时间缓慢变化,因此,需要对其进行常规的在轨标定.现有的在轨标定方法都依赖于磁扰动或磁结构事件的筛选,导致标定结果的频次受限于事件的筛选,且差的事件还会增大计算误差.为此,本文研发出一种不依赖于磁场事件筛选的在轨标定新方法.根据行星际磁场强度的取值范围,我们可建构一个磁补偿取值空间.不同的磁补偿值会影响行星际磁场的阿尔芬特性;于是,我们通过在磁补偿空间中找到使被调整之后的行星际磁场的阿尔芬特性最强的点作为磁补偿值的最优解.测试结果表明,我们的新方法可以利用1～4 h时长的行星际磁场数据获得误差小于0.1 nT的标定结果.     

阿尔芬波总磁场存在漂移趋势时磁通门磁强计在轨标定的优化方法

高精度的磁场测量对深空探测具有重要意义,然而卫星上磁通门磁强计的磁补偿值会随着时间缓慢变化,需要进行在轨标定.近期,一种新的在轨标定方法被提出,即Wang-Pan方法.该方法发现阿尔芬波动存在一个线性度高的最优补偿曲线,利用多个波动的最优补偿曲线可计算出磁强计的磁补偿.然而,该方法没有考虑所选波动事件的总磁场存在漂移趋...     

祝融号火星表面磁场探测仪的沿轨标定

作为中国首次火星探测计划“天问一号”任务的一部分,祝融号火星车于2021年5月15日成功着陆火星表面,并开始在乌托邦平原南部进行科学探测.祝融号火星表面磁场探测仪(RoMAG)是火星车上六个有效载荷之一,它由两个相同的高灵敏度三轴磁通门磁强计组成,随火星车在火星表面进行移动磁测量.尽管在发射前已经进行了火星车磁补偿以消除磁干扰,但由于有效载荷和太阳能电池板等在发射前后的状态不同,需要对磁强计进行沿轨校准,以获得更精确的火星磁场.本文分别利用桅杆偏航旋转和火星车偏航旋转两种方法确定火星水平磁分量.结果表明,两种方法测得的火星水平磁场分量具有较好的一致性,均方根偏差小于2.0nT.火星背景磁场垂直分量则可根据干扰场呈现偶极场分布的假设来约束.磁场测量值与太阳能帆板电流之间的线性相关关系可用于常规探测中的磁场校准,可以得到更精确的火星表面背景磁场.     

利用卫星探测研究地下结构

介绍了国外利用卫星上观测的电子流量和磁场资料进行地下结构探测研究的一些成果.研究表明,卫星上记录到的不同能量电子流量脉冲突变与地下结构、深大岩石圈断裂带有密切的对应关系.卫星磁场观测具有覆盖全球的优势,随着卫星磁场数据观测精度的提高,卫星磁测在全球磁变模型的建立、研究大陆内部结构、大陆和海洋边界带、地幔过渡带等方面的将发挥越来越重要的作用.卫星观测将成为全面、整体探测研究地球内部结构有效的手段之一.     

伽利略卫星磁异常起源的数值模拟

伽利略号任务探测到了起源于伽利略卫星的磁异常.这些磁异常很可能来自于卫星内部,并且受到强大的木星背景磁场的影响.观测磁异常可能来自各种不同的产生机制,这里通过数值模拟主要研究卫星内部磁对流和发电机行为.为了模拟卫星周围的电磁环境,在模型中引入了一个固定取向、空间均匀,但是强度可变的外磁场B0.模拟结果显示,强度足够大的B0可以显著的改变核内的发电机过程.当B0增加到原发电机磁场强度的40%时,核内对流的改变非常显著：整体对流强度减弱了80%,但是在大部分区域的差动旋转却增强了,这导致了核内总磁场的增加.磁场的形态趋向于同背景场一致,而流场则显示出背景场对原有对称性的抑制作用.此外,磁场在时间变化上也趋向于更加稳定.     

2001年3月2日磁通量传输事件特性的研究

2001年3月2日11:00 至11:15 UT 期间,Cluster Ⅱ在南半球极尖区晨侧附近磁鞘内探测到3个通量传输事件（简称FTEs）. 本文利用Cluster Ⅱ星簇4颗卫星观测到的磁场和等离子体资料研究了这些通量传输事件的磁场形态和粒子特征. 并利用它们探测到的空间磁场梯度资料由安培定律直接求出星簇所在区域的电流分布. 结果指出：（1）BY占优势的行星际磁场结构在磁层顶的重联可以在极尖区附近发生;（2）FTEs通量管形成初期内外总压差和磁箍缩应力不一定平衡,达到平衡有一发展过程;（3）FTEs通量管截面在L M平面内的线度约为1.89RE;（4）FTEs通量管中等离子体主要沿轴向场方向流动,整个通量管以慢于背景等离子体的速度沿磁层顶向南向尾运动;（5）FTEs通量管中不仅有轴向电流,也存在环向电流. 轴向电流基本沿轴向磁场方向流动. 轴向和环向电流在管内均呈体分布,因而轴向电流产生的环向磁场接近管心时不断减小到零,而环向电流生成的轴向场则不断增大到极值;（6）在通量管的磁鞘部分观测到磁层能量粒子流量的增强,这表明通量管通过磁层顶将磁鞘和磁层内部连通起来了.     

地磁场的三维巡测和综合建模

在1967~1971年期间,美国POGO系列卫星进行了地磁场总强度测量,接着,1979~1980年MAGSAT地磁卫星进行了真正意义上的三分量测量.自此之后,卫星磁测沉静了20年.近年来,这一领域又重新进入高潮,其标志是1999年2月丹麦发射Orsted磁测卫星,2000年7月德国发射CHAMP磁测卫星,2000年11月阿根廷/美国合作发射SAC-C卫星.这一时期的磁测卫星还有南非和澳大利亚的卫星,而欧空局计划在2009年发射三颗磁测卫星Swarm,,中国的地磁卫星也在积极筹备之中.在这20多年的"沉静"中,各国地磁学家潜心研究的结果把POGO-MAGSAT和Orsted-Champ-SAC两代磁测卫星和地面磁测连接在一起,催生了新型地磁场模型和地磁图———"地磁场综合模型"(comprehensive model of geomagnetic field,简称CM).如果说过去的地磁场模型只是对主磁场的形态描述,那么,新一代模型不仅包括地核主磁场模型,而且包括岩石圈磁场模型、电离层磁场模型、磁层磁场模型、内部感应磁场模型以及空间环型磁场模型,力求在更广的范围内,以更深入的物理内涵和更高的精度表述地球磁场的全貌.本文在评述CM模型的基础上,提出下一代地磁模型的设想,讨论地球磁场三维巡测和综合建模的未来发展趋势和关键问题.     

MAGSAT地磁卫星及其应用

美国宇航局（NASA）1979年10月30日在西海岸成功地发射了一颗地磁卫星MAGSAT,卫星的近地点和远地点高度分别为352km和561km,轨道倾角为96.76°,运行周期为93.726 min。卫星上载有磁通门式向量磁强计,每秒取样16次,Cs蒸汽标量磁强计,每秒取样8次。为了避免卫星磁场的影响,磁强计装置在6m横杆的末端。卫星姿态由两个测星相机和一个太阳传感器进行测量,姿态测量精度为20″。这样在300-     

一种磁张量探测系统载体的磁张量补偿方法

针对磁张量系统载体产生的磁张量值对系统测量精度产生很大影响的问题,以及现有磁补偿模型存在非线性、分体式和参数多的问题,提出一种磁张量系统载体的一体化线性磁张量补偿方法.分析了载体硬磁材料产生固有磁张量值和软磁材料产生感应磁张量值的微观机理,并推导了相应的数学表达式,结合固有磁场影响和感应磁场影响建立了载体磁张量补偿模型.模型中含有20个载体磁张量补偿系数,对模型求解得到补偿系数,结合三分量磁场测量值即可达到对载体磁张量的补偿.实测实验表明,磁张量补偿方法计算得到的载体磁张量值与载体实际产生的磁张量值仅差32nT/m,可以有效完成对磁张量系统的载体磁张量补偿.     

Portable magnetometer theodolite with fluxgate sensor for earth's magnetic field component measurements

A new portable magnetometer theodolite with fluxgate sensor has been developed for measuring the components of the earth's magnetic field. With this instrument, used as a null detector, it is possible to make absolute measurements of declination (D) and inclination (I). The compensation of the main magnetic field allows direct intensity measurements (H, X, Y, Z components); in this case the calibration is made by reference to a proton magnetometer.The observation procedure is particularly easy and quick. The accuracy is better than 5 sec of arc forD andI and better than 1 nT for direct intensity measurements.     

海浪引起的地磁场波动的观测与初步分析

近岸海浪是影响近岸水域环境状态的重要环节.海洋近岸波的波动性质和变化规律的研究对于海岸防护、近岸航运、军事活动等具有重要意义.感应磁场波动可为探测海洋近岸波的非线性过程提供一种有效手段.本文首次对海洋近岸波引起的感应磁场进行了频谱指数分析,获得了能量注入和耗散过程对应的谱段.2016年5月15日—6月30日在昌黎海岸(东经119.3,北纬39.7°)利用KDM-2型磁通门磁力仪对海洋近岸波引起的磁场变化进行了测量,数据分辨率为0.01 nT/(HZ)~(1/2),时间采样率为1 Hz和128 Hz.观测数据显示,在距海岸线2 m远处,清晰地观测到了海洋近岸波引起的磁场波动,在0.001~10.0 Hz频段的波动最大振幅约为1 nT.波动的小波频谱呈现出多次谐波结构,符合海洋近岸波的谐波特征.傅里叶频谱显示不同频段谱的斜率不同,反映了海洋近岸波发展与耗散的非线性物理过程,进一步开展长期观测和统计分析有助于深入了解海洋中的电动力学过程.     

The magnetic field experiment onboard Equator-S and its scientific possibilities

The special feature of the ringcore fluxgate magnetometer on Equator-S is the high time and field resolution. The scientific aim of the experiment is the investigation of waves in the 10–100 picotesla range with a time resolution up to 64 Hz. The instrument characteristics and the influence of the spacecraft on the magnetic field measurement will be discussed. The work shows that the applied pre- and inflight calibration techniques are sufficient to suppress spacecraft interferences. The offset in spin axis direction was determined for the first time with an independent field measurement by the Equator-S Electron Drift Instrument. The data presented gives an impression of the accuracy of the measurement.     

空间波数混合域磁异常场积分解三维数值模拟

本文提出一种空间波数混合域磁异常场三维数值模拟方法.该方法利用磁位三维空间域积分为卷积的特点,沿水平方向进行二维傅里叶变换,把空间域磁位满足的三维积分问题转化为不同波数之间相互独立的垂向一维积分问题.保留垂向为空间域,优势之一在于便于浅层单元剖分可适当加密,随着深度增加,单元剖分适当稀疏,可以准确模拟任意复杂地形和磁性体的磁异常,兼顾了计算精度与计算效率;优势之二在于一维积分垂向可离散为多个单元积分之和,每个单元采用二次形函数表征磁化强度,可得出单元积分的解析表达式,计算精度高、效率高.该方法充分利用一维形函数积分的高效和高精度、快速傅里叶变换的高效性及算法高度并行性,实现了磁异常场高效、高精度的数值模拟.设计棱柱体模型,将模型解析解与空间波数混合域法的数值解对比,结果表明该方法计算精度高、效率高.设计了组合棱柱体复杂模型,对比分析了标准FFT扩边法与Gauss-FFT法的计算精度与计算效率,总结了标准FFT的扩边系数选取策略.针对任意复杂地形条件下的磁异常模拟问题,本文提出一种适用于起伏地形条件下的磁异常场快速计算方法,并对其有效性进行了验证.     

Spherical earth gravity and magnetic anomaly analysis by equivalent point source inversion

To facilitate geologic interpretation of satellite elevation potential field data, analysis techniques are developed and verified in the spherical domain that are commensurate with conventional flat earth methods of potential field interpretation. A powerful approach to the spherical earth problem relates potential field anomalies to a distribution of equivalent point sources by least squares matrix inversion. Linear transformations of the equivalent source field lead to corresponding geoidal anomalies, pseudo-anomalies, vector anomaly components, spatial derivatives, continuations, and differential magnetic pole reductions. A number of examples using 1°-averaged surface free-air gravity anomalies and POGO satellite magnetometer data for the United States, Mexico and Central America illustrate the capabilities of the method.     

Magnetic mapping for the detection and characterization of UXO: Use of multi-sensor fluxgate 3-axis magnetometers and methods of interpretation

Fluxgate vector magnetometers can be powerful instruments in magnetic mapping and in the detection of unexploded ordnance (UXO). Being lightweight and having low power requirements, they allow the development of multi-sensor use. The main problems in using fluxgate magnetometers arise from calibration errors and drift but these can be overcome using a quick and simple method of calibration in the field. This method also has the advantage of compensating permanent and induced magnetic fields generated by magnetized objects carried with the sensors. Measurement accuracy is similar to that obtained with scalar magnetometers. Multi-magnetometer profiling allows direct inversion of raw magnetic data along profiles in order to locate and characterize dipoles typically generated by UXO. The method used is a non-linear inverse procedure that estimates the three coordinates and magnetization vector of the dipole. Application of the technique to both a synthetic case and a field example illustrates the advantages of the method compared with the use of the analytic signal.     

地下磁共振响应特征与超前探测

地下（矿井和隧道内）超前探测灾害水源是磁共振测深（Magnetic Resonance Sounding,MRS）方法应用的新领域,在地球物理方法中是一个难题.本文在地面磁共振探测理论的基础上,建立地下全空间模型,推导直立线圈的磁共振响应信号表达式,对比国际标准模型验证了数值计算的准确性.引入旋转系数矩阵,计算任意地磁场方向和线圈方向的激发场垂直分量.研究了磁共振响应信号与线圈法向偏角和倾角的关系,指出当线圈法向方向垂直于地磁场方向时,磁共振响应信号最大.同时,研究表明磁共振超前探测距离与激发脉冲矩和接收灵敏度紧密相关,激发脉冲矩越大,接收灵敏度越高,则超前探测距离越大,但存在极限距离.在地下线圈尺寸受限的情况下,为使检测信号灵敏度为5 nV时,超前探测距离达到30 m,提出了边长2 m线圈的匝数优化方案,共圈模式最少需要100匝,分离线圈模式最少需要10匝发射线圈和160匝接收线圈.仿真模型试验结果证明,随着噪声水平增大,磁共振超前探测距离和反演分辨率均减小.泽雅隧道探测实践表明,本文提出的地下空间磁共振理论在矿井和隧道环境中进行超前探测是可行的.     

Real-time compensation of magnetic data acquired by a single-rotor unmanned aircraft system

Two methods for low-altitude calibration of a single-rotor unmanned aircraft system using a real-time compensator are tested: (1) a stationary calibration where the unmanned aircraft system executes manoeuvres while hovering in order to minimize ambient field changes due to the local geology; and (2) an adapted box calibration flown in four orthogonal directions. Both methods use two compensator-specific limits derived from established methods for manned airborne calibration: the lowest frequency used by the compensator for the calibration algorithm and the maximum variation of the ambient magnetic intensity experienced by the unmanned aircraft system during calibration. Prior to flying, the unmanned aircraft system was magnetically characterized using the heading error and fourth difference. Magnetic interference was mitigated by extending the magnetometer-unmanned aircraft system separation distance to 1.7 m, shielding, and demagnetization. The stationary calibration yielded an improvement ratio of 8.595 and a standard deviation of the compensated total magnetic intensity of 0.075 nT (estimated Figure-of-Merit of 3.8 nT). The box calibration also yielded an improvement ratio of 3.989 and a standard deviation of the compensated total magnetic intensity of 0.083 nT (estimated Figure-of-Merit of 4.2 nT). The stationary and box calibration solutions were robust with low cross-correlation indexes (1.090 and 1.048, respectively) when applied to a non-native data set.     

地壳磁异常的全球模型

从全球磁场减去地核主磁场和变化磁场及其感应磁场后,就得到岩石圈磁场,又称地壳磁场,或地磁异常.地壳磁场是地磁场的重要组成部分,对导航、通信、地球物理勘探等有重要意义.本文简要综述近年来在地壳磁场基本信息获取方面取得的重大进展,特别是Oersted、CHAMP等卫星磁侧的最新成果,介绍在此基础上建立的全球磁异常模型,展望地壳磁场研究的发展趋势和应用前景.