Введение к работе
Актуальность темы. Развитие многих отраслей науки и производства неразрывно связано с проблемой абсолютного измерения величины магнитного ноля. В частности, современные общемировые тенденции в физике Земли и космоса по увеличению информативности проводимых измерений предполагают извлечение и комплексирование максимума данных о характеристиках окружающей среды, в том числе и магнитных. Популярность использования магнитных измерений объясняется прежде всего тем, что такого рода исследования при достаточной эффективности являются наиболее дешёвыми и массовыми. Самое широкое распространение в наземной, морской, скважинной, аэрокосмической магниторазведке, а также обсерваторских наблюдениях получили высокоточные абсолютные измерители индукции геомагнитного поля - ядерно-прецессионные магнитометры. Прецизионность измерений данных магнитометров базируется на фундаментальной связи частоты прецессии и модуля индукции магнитного поля через константу гиромагнитного отношения, определённую с высокой точностью.
.Ядерно-прецессионные магнитометры начали развиваться с 50-х годов и продолжают совершенствоваться, в связи с возрастающими требованиями к абсолютным измерителям в плане повышения их точности и быстродействия. Большинство приборов, в том числе и зарубежных, разработанных до 90-х годов характеризуются аналоговыми способами обработки сигналов протонной прецессии или простейшими алгоритмами цифровой обработки, что ограничило как чувствительность до 0,1-1 нТл, так и быстродействие измерений до секундных циклов. В настоящее время физические возможности увеличения чувствительности таких приборов за счёт повышения сигнала ограничены, и поэтому на первый план выступает задача оптимизации их конструктивных, электрических и рабочих параметров, в сочетании с применением более эффективных алгоритмов обработки сигнала.
Проблеме совершенствования ядерно-прецессионных магнитометров посвящены многочисленные исследования. Однако, в основном затрагиваются вопросы оптимизации параметров измерительных датчиков или отдельных узлов тракта регистрации либо при использовании простейших методов обработки данных (например, простого периодомера), либо вообще в отрыве от конкретного алгоритма. Это объясняется тем, что основная масса поисковых работ пришлась на семидесятые-восьмидесятые годы, когда уровень науки и техники позволял применять в серийной аппаратуре только несложные типы обработки сигнала. В последнее десятилетие внедрение достижений бурно развивающейся микропроцессорной техники в область разработок магнитометров позволило использовать более «мощные» алгоритмы, и тем самым расширить свободу выбора подходящего метода обработки данных. На стадии научной проработки прибора данный момент может оказаться ключевым, так как специфика магнитометра
(вариационная станция, пешеходный, скважинный магнитометр и так далее) может наложить на аппаратуру достаточно жёсткие ограничения (например, низкое энергопотребление, повышенное быстродействие, устойчивость измерений к градиенту внешнего поля, малые габариты или вес). В результате возникающие требования могут существенно повлиять на критерии отбора алгоритма. Также следует учитывать тот факт, что выбор метода обработки требует согласования с используемыми в магнитометре схемотехническими решениями и предполагаемыми режимами его работы. В связи с этим, а также недостатком комплексных исследований современных цифровых алгоритмов в приложении к магнитометрии, особенно актуальна задача оптимизации параметров ядерно-прецессионного магнитометра с учётом применяемого типа обработки сигнала.
Цель работы: исследование и оптимизация параметров цифровых ядерно-прецессионных магнитометров слабого поля с различными типами алгоритмов обработки сигнала, изучение влияния алгоритмов обработки на конструкцию измерительного датчика, совершенствование цифровых адерно-прецессионньк геомагнитометров. Для этого предполагается провести анализ основных погрешностей магнитометра, обусловленных собственно шумами аппаратуры, затуханием (релаксацией) ядерной намагниченности рабочего вещества, а так же спецификой используемых алгоритмов. Опираясь на полученные соотношения, предполагается провести оптимизацию датчиков, режимов работы и параметров магнитометра.
Научная новизна:
-
Метод расчёта основных погрешностей ядерно-прецессионного геомагнитометра с цифровыми алгоритмами обработки сигнала периодомерного типа, учитывающий затухание сигнала, влияние уровня компарирования и корреляцию шумов датчика;
-
Выражения доя основных погрешностей магнитометра с внутрицикловыми методами: периодомер с внутрицикловой обработкой сигнала и метод наименьших квадратов. Результаты сопоставления чувствительности магнитометров с внутрицикловыми методами и методом простого периодомера;
-
Результаты исследований по оптимизации электрических параметров тракта регистрации, режимов работы, а также сигнально-шумовых характеристик соленоидальных протонных датчиков магнитометров с внутрицикловой обработкой сигнала. Критерии согласования по шумам и полосе тракта регистрации магнитометра;
-
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности расширения полосы регистрации без настройки на измеряемое поле в магнитометрах с внутрицикловыми методами, а также повышения их быстродействия за счёт понижения добротности приёмного контура датчика;
5. Процессорная реализация внутрицикловых алгоритмов, обеспечивающих высокую точность, градиентоустойчивосгь и контроль сигнала в магнитометрах различного назначения.
На защиту выносится:
-
Общие соотношения, полученные в рамках единого подхода, для основных погрешностей цифровых ядерно-прецессионных магнитометров с внутрицикловыми методами обработки, учитывающие затухание сигнала, влияние уровня компарирования и корреляцию шумов датчика;
-
Возможность расширения полосы регистрации цифрового магнитометра за счёт внутрицикловой обработки сигнала прецессии. Полученные теоретически и экспериментально условия, при которых погрешность таких магнитометров практически не зависит от частотной полосы приёмного контура датчика;
-
Оптимальные соотношения в рабочем цикле прецессионного магнитометра и оптимальные конфигурации датчиков в зависимости от типа используемого алгоритма обработки сигнала, в частности, соотношения для внутрицикловых методов при основных режимах работы протонного магнитометра и магнитометра с динамической поляризацией ядер и численные расчёты модельных соленоидальных протонных датчиков, использующих внутрицикловые алгоритмы;
-
Результаты по оптимизации параметров и циклов работы ряда магнитометров геологического назначения. Адаптивные внутрицикловые алгоритмы, обеспечивающие высокую градиентоустойчивость данных приборов.
Практическая ценность. Полученные в работе соотношения и критерии позволяют сформулировать общие требования, которым должны удовлетворять измерительный тракт и параметры рабочего цикла цифрового ядерно-прецессионного магнитометра слабого поля. Представленный материал может служить основой для совершенствования современных геомагнитометров. Результаты работы частично получены или использованы в рамках 9 хоздоговорных тем с отечественными и зарубежными заказчиками, а также грантов по программе «Урал», МинВуза и РФФИ. Материалы работы нашли своё воплощение в магнитометрах POS-1, POS-2 и LOM-1, серийно выпускаемых Лабораторией квантовой магнитометрии УГТУ.
Апробация работы. Основные результаты и выводы диссертации докладывались и обсуждались на Международных конференциях: Динамические концепции в ЯМР (AMPER Summer Institute, Словения, 1996), Электромагнитный неразрушающий контроль (E'NDE '97 WORKSHOP DIGEST, Италия, 1997), Симпозиум по ЯМР релаксометрии
(Германия, 1998), Конференция по магнитному резонансу (Joint 29_th AMPERE-13_th ISMAR, Германия, 1998), Современные методы и средства океанологических исследований (МСОИ-98, Москва, 1998), Семинар по вопросам теории и практики геологической интерпретации гравитационных, магнитных и электрических полей (Екатеринбург, 1998), Конгресс по геофизике (IUGG99, Англия, 1999).
Результаты диссертационной работы опубликованы в 23 печатных работах, из которых 9 - печатные статьи, 14 - тезисы докладов на конференциях.
Струю-ура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, 8 глав, заключения и списка литературы. Она изложена на 134 страницах текста, включая 33 рисунка и 3 таблицы. Список литературы содержит 111 наименований.