弱磁探测技术发展现状(光泵磁通门磁阻-GMR-高斯TMR皮特AMR巨磁阻抗GMI霍尔Hall高灵敏-

弱磁探测技术发展现状作者：胡生生单位：中国科学研究院摘要介绍了弱磁探测技术的组成、分类和应用，并就弱磁探测系统的工作特点进行了分析，以目前常见的几种弱磁测量仪器、磁传感器的发展为例，介绍了弱磁探测技术的发展现状。0引言弱磁探测技术在军事、资源勘探、科学研究等领域有广泛的应用，近些年更获得了突飞猛进的发展，其中军事需求是主要的推动因素之一。弱磁探测采用测量地球磁场或者磁性目标磁场的方式，通过信号处理与分析获取相关信息，用于资源调查和目标探测等。1弱磁探测系统的组成与分类弱磁探测系统一般由磁探头模块、数据采集模块、信号处理与分析模块等部分组成，搭载在相应的平台上进行工作。其工作模式一般为，磁探头模块接收磁场信号，并将其转换为电信号，数据采集模块将模拟信号数字化，信号处理与分析模块对数字信号进行处理分析，获得目标信息。弱磁探测系统有很多分类方法，在工程应用中一般按照搭载平台或工作原理进行分类。1.1按照搭载平台分类按照搭载平台进行分类，弱磁探测系统主要包括航空磁探、水中拖曳磁探、浮标磁探和基站磁探等。1)航空磁探测。航空磁探测是利用飞机作为搭载平台，实现目标磁场探测，即磁探测系统安装在飞机上，飞机在探测领域上空一定高度飞行，磁探测系统实时测量包含地磁场在内的磁场信号，经过处理分析，获得相应区域的磁场特征。在军事领域，航空磁探是目前探测潜艇最有效的探测方式之一，在一些军事强国已得到广泛应用，与其它探潜设备相比，航空磁探测具有不受水文气象条件限制、搜索面积大、搜索效率高、使用简单可靠、反应迅速等特点。除此之外，航空磁探还是目前世界上资源勘探常用的方法之一，是航空物探系统中不可或缺的一部分，广泛应用于地质勘测、油气田和矿产资源等领域。由于飞机需在一定高度飞行，其适合于大区域磁特征或较大磁性目标的探测。航空磁探测的2个关键问题是探测设备与环境噪声的排除和补偿问题。目前比较有代表性的航空磁探测装备:加拿大海军的AN/ASQ-504(V)型磁异常探测设备(探测距离为I200m，灵敏度在飞行中为0.01y)，美国雷声公司的AN/ASQ-81(V)反潜战磁强计一磁异常探测系统(可采用机内配置或机外拖曳2种工作方式，拖曳式的探测距离为1000m,灵敏度为1TlHz'r，通带范围为1~10MHz),AN/ASQ-208(V)数字式磁异常探测系统和静止型氦-3反潜战磁强计磁异常探测系统等。2)水中拖曳磁探。水中拖曳磁探是指利用舰船或其它航行器作为拖曳工具，磁探测系统安装在拖曳装置中，拖曳装置与拖曳工具间隔一定距离，在水中一定的深度航行，实时接收磁场信号。根据磁探测系统的拖曳深度可分为水面拖曳磁探和水下拖曳磁探2种，其中最常见的是水下定深拖曳磁探，主要用在探潜、反水雷、救护打捞等领域。根据探测的需要，拖曳装置可以在距海底较近的水中航行，因此能够探测小型磁性目标。在实际应用中，可以进行较高密度的网格式探测，并可实现对目标的定位，其缺点是探测效率相对较低。3)浮标磁探。浮标磁探是将磁探测系统安装在浮标中，浮标投放到相应海域后，进行磁场测量。测量的磁场信号可通过卫星或中转装置实时传输到基站，也可存储一定数据量后进行集中传输。浮标磁探主要用于敏感海域对潜艇的探测以及地磁场信息的收集。浮标磁探的探测能力受海况的影响比较大，且保密性、安全性相对较低，一般在可控海域使用或应急情况下使用。4)基站磁探。基站磁探则是建于岸边或者海底的一种磁场监测装置，即将磁探测系统固定安装在海床或口岸，一般成阵列布设，长期实时监测磁场的变化，用于地磁监测或磁性目标监控。基磁探具有数据稳定、灵敏度高等特点。在国外基于基站磁探的港口防护工程己获得应用(如图1)，主要用来防止蛙人或其它水下武装的入侵.1.2按照工作原理分类按照工作原理分类，弱磁探测系统可以分为总磁场强度探测系统、磁场标量梯度探测系统、磁场矢量探测系统、磁场矢量梯度探测系统、磁场梯度张量探测系统等。1)总磁场强度探测。总磁场强度探测系统是利用光泵磁强计等测量总磁场标量的磁测系统进行磁场测量。由于测量的是总磁场强度，因此不受空间姿态的影响(在探头能够有效进行测量的情况下)。2)磁场标量梯度探测。磁场标量梯度探测系统是将2个或者2个以上的标量磁传感器排成一定的阵列，组成梯度探测系统，进行磁场梯度值的测量，测量的是磁场强度的总场在相应距离上的变化，即梯度。这种测量是在磁场总量探测系统的基础上发展起来的，由于采用了梯度测量的方式，因此受外界磁场干扰和地磁波动的影响较小，其磁性目标的探测距离与磁传感器灵敏度、磁传感器的排列方式等有关。3)磁场矢量探测。磁场矢量探测系统是利用矢量磁传感器，对地磁场或者磁性目标的各磁场分量进行测量的一种磁探系统。矢量磁传感器只接收与其敏感轴平行的磁场分量信号，因此在实用中一般采用三分量磁传感器进行测量，即测量磁场总矢量的3个相互垂直的磁场分量。由于三分量磁场信号包含的目标信息较丰富，因此在磁性目标探测中具有更大的应用价值。同时由于每个分量都具有方向性，因此其受空间姿态影响较大。4)磁场矢量梯度探测和磁场梯度张量探测。磁场矢量梯度探测系统是利用多个矢量磁传感器对磁性目标的各个磁场分量进行梯度测量的一种探测方式。而磁场梯度张量探测系统则可以简单地理解为磁场梯度探测系统的一种扩展，所谓磁场梯度张量是磁场的3个分量分别在3个方向上的变化率，此种磁探测信号信息量大，抗干扰能力强，常用于对磁性目标进行探测定位。图2是磁梯度张量测量系统的原理示意图I3]，其中的1一7代表7个三分量传感器的位置，中间的2号传感器为参考传感器。目前比较卓越的磁力梯度张量测量系统l4]:德国的LTs一sQuID全张量磁力梯度探测系统、澳大利亚的GETMAG磁场梯度张量测量系统、美国的HTS一SQUID张量磁力梯度测量系统。其中GET-MAG(航空张量磁力梯度仪)的灵敏度在500m高处仍能达到0.01nT/m，可以准确定位到地下几百米深处磁化率只有微弱差别的地质现象。2弱磁探测技术的发展现状弱磁探测技术的发展主要是伴随着弱磁测量仪器和磁传感器的发展而发展的。目前弱磁探测中常用的弱磁测量仪器和磁传感器主要有光泵磁强计、质子磁力仪、磁通门传感器、超导量子干涉仪和磁电传感器等。2.1光泵磁强计光泵是20世纪50年代发展起来的一门新技术，光泵磁强计是一种高灵敏度和高精度的磁测仪器。它是以工作物质的原子能级在磁场中产生塞曼效应为基础，再加上光泵技术和磁共振技术而制成的。光泵磁强计是目前实际生产和科学技术工程实践应用中灵敏度最高的磁探测仪器。广泛应用于地球物理勘探、宇宙磁场测量、军事目标的磁探测等方面。光泵磁强计的种类很多。按共振元素不同，可以分为氦光泵磁强计、铆光泵磁强计、艳光泵磁强计、钾光泵磁强计等。按技术设计的方案不同可以分为跟踪式和自激式两种。目前应用最为广泛的是艳自激式光泵磁强计和氦跟踪式光泵磁强计。在国外，光泵磁强计有Scitrex生产的Cs一3艳光泵磁强计和Gcometrice公司的G一858艳光泵磁强计，他们的灵敏度分别达到0.6pT和0.01pT，基本上代表了国外的艳光泵磁力仪的发展水平l5]。另外，据报道，美国Polato而c公司用氦激光器代替原来的氦灯，研制出P一2000氦光泵磁强计比原氦光泵磁强计的精度提高了很多，灵敏度达到0.3pT网，代表了目前世界上氦光泵磁强计的发展水平。光泵磁强计测量磁场标量，其受空间姿态的影响较小，在一定的姿态范围内，甚至不受影响，是航空磁探的最常用的磁强计。当前世界各国的反潜机上所装备的磁探测系统基本都是基于光泵原理的磁探测系统。2.2质子磁力仪质子磁力仪是测量地磁场总强度的绝对磁力仪，由帕卡德和瓦里安于1954年研制成功，是当今使用最广泛的地磁勘测仪器之一。质子磁力仪是基于质子在磁场中的旋进现象而设计的一种磁场测量仪器，其原理简单、仪器体积小、精度高，在野外作业中很受欢迎。2.3磁通门传感器磁通门传感器是矢量磁传感器，其原理于1936年由阿斯肯布伦纳提出，并于第二次世界大战中为从飞机上探测敌方潜艇而发展起来。磁通门传感器是利用铁磁体磁化时在饱和区的非线性来测量磁场的装置，当用软磁材料做成的铁磁体被磁化时，由于磁化的非线性，能调制外磁场，使得传感器输出和外磁场相关。国际上典型的磁通门传感器有加拿大的FM20o型和cANMos型磁通门传感器、奥地利的CHIMAG型磁通门传感器、英国的FLARE磁通门传感器、美国的SMALL磁通门传感器171。这些磁通门传感器代表了该仪器技术的先进水平，它们的基本特点是噪声低、频率响应高、温度性能好等。近年来随着微电子机械系统(MEMS)技术以及集成电路工艺的日益成熟，微型磁通门传感器的研究也日益活跃起来，磁通门传感器未来的发展趋势是高分辨力、微型化、低功耗、大动态范围以及数字化等.在军事上磁通门传感器最主要是用于磁引信来探测目标磁场信号。随着UUV技术的发展，利用高分辨力的磁通门传感器组成实时跟踪磁梯度计(RTG)搭载在uuv上进行掩埋磁性目标的探测也备受关注。图3为21世纪初美国通用电气集团的安全公司(以前称为量子磁学公司)研制出的实时跟踪磁梯度计(RTG)，该磁梯度计由4个高分辨力的三轴的磁通门传感器组成[8]。图4为2006年6月美海军利用“蓝翼”AUV携带盯G对掩埋水雷进行的探测定位试验。这次试验达到了95%的探雷可信度，对掩埋水雷的探测范围在10m左右，并且可以探测掩埋深度为0一2.133m的水雷目标。2.4超导量子干涉仪超导量子干涉磁力仪(SQulD)于20世纪60年代中期发展起来。它以约瑟夫逊效应为理论基础，利用超导材料制作。根据所使用的超导材料，SQUID可分为低温超导sQuID和高温超导SQuID。SQUID灵敏度理论上可达10-15T,是目前人类所知道的最灵敏的磁场检测装置，而且其测量范围宽，可从零场测量到数千特斯拉，响应频率可从直流到几千兆赫兹，这些特性均远远超过常用的磁通门磁力仪和质子旋进磁力仪。世界各国对高温超导sQuID系统研制和应用的研究非常活跃。目前最好的高温sQuID磁场灵敏度可达10fT/Hz1/2。由于超导量子干涉磁力仪可以接收极其微弱的磁场信号，因此这种仪器一旦在军事上获得工程应用，必将在未来的海战武器中发挥重要的作用。1994年国际应用超导会议上透露，美国海军水面武器中心海岸系统站有一个超导反潜平台，该平台装备了由3个磁强计和5个梯度计组成的液氦温区磁异常探测系统，该系统能得到远距离磁偶级系统的完整特性，如位置和种类等，用以对潜艇、水雷等系统定位和识别，用于海岸警戒和防卫。1999年，美国海军利用氮气冷却的高温超导磁强计和梯度计进行了“机动水下残骸搜索系统”(MUDSS)的演示试验，成功地探测和识别了被掩埋的未爆军械—500磅炸弹。试验结果还证明高温超导传感器对500磅炸弹的探测距离可达30m，对1000磅炸弹的探测距离为50m，并且具备探测掩埋深度为0~2.133m的磁性目标的能力。除此之外，sQuID还广泛应用于生物磁场测量，比如心磁测量等。2.5磁电传感器磁电传感器是以磁电子学为理论基础建立起来的一种新型传感器技术。磁电子学是研究纳米尺度下与电子的自旋属性相关的输运过程及相应器件的一门新科学。上个世纪80年代末期磁性多层膜巨磁电阻效应(GMR)的发现标志着磁电子学发展的开始，随后，磁隧道结室温隧穿磁电阻效应(TMR)的成功实现更为这门新学科注入了新活力。磁电传感器这个大家族中所包含的内容很多，目前世界各国的科学家研究得较多的主要有巨磁电阻传感器、巨磁阻抗传感器和磁隧道结隧穿磁电阻传感器等。所谓巨磁电阻(GMR)效应是指某些磁性或合金材料的电阻在一定磁场作用下急剧减小，而电阻变化率急剧增大的特性。GMR传感器是利用巨磁电阻效应的磁性纳米金属多层薄膜材料，通过半导体集成工艺与集成电路相兼容的一类元器件。GMR传感器具有灵敏度高、探测范围宽、环境适应力强等优点。GMR传感器可探测的磁场范围为(10-8一108)X(103/4π)A/m，同时可利用半导体曝光和刻蚀工艺，使元件集成化、微型化。巨磁阻抗传感器是利用零磁滞伸缩