[发明专利]包含多光系原子磁力仪方向误差补偿的航空磁补偿方法

说明书

本发明公布了一种航空磁补偿方法，通过建立包含多光系光泵原子磁力仪方向误差补偿模型的航空磁补偿模型，根据矢量磁力仪测量数据计算方向余弦，进行实时的航空磁补偿，可同时补偿多光系原子磁力仪方向误差和飞机机动磁干扰。本发明模型可以很好的与经典航空磁补偿模型T‑L模型结合，建立包含多光系光泵原子磁力仪方向误差补偿的航空磁补偿方法，将飞机磁干扰和光泵原子磁力仪方向误差的补偿通过线性回归得到总的系数后，进行实时补偿。本发明可以同时补偿飞机磁干扰和光泵原子磁力仪的方向误差，提高航空磁补偿得到的T‑L模型系数的准确性，进而提升航空磁探测能力。

技术领域

本发明属于光泵原子磁力仪和航空磁探测技术领域，涉及一种包含多光系原子磁力仪方向误差补偿的航空磁补偿算法，该方法能够同时补偿多光系原子磁力仪方向误差和飞机机动磁干扰，进而提升航空磁探测能力。

背景技术

磁力仪是对测量外界磁场大小的仪器的统称，被广泛的使用在地球物理、空间探索、生物医学以及军事国防等领域。磁力仪可以分为标量磁力仪(测量标量总磁场信息)和矢量磁力仪(测量磁场的三个垂直分量)。航空磁探测通常使用标量磁力仪进行磁场探测，用矢量磁力仪进行飞机机动磁干扰的补偿。目前最常用的标量磁力仪是高灵敏度的光泵原子磁力仪，最常用的矢量磁力仪是三分量磁通门磁力仪。航空磁补偿的性能指标直接影响航空磁探测的能力，与国外先进的航空磁补偿相比，国内的磁补偿技术主要采取由Tolles和Lawson提出的传统模型(以下简称T-L模型)，并没有考虑光泵原子磁力仪本身的工作原理，因此根据光泵原子磁力仪传感器本身技术特点，提升航空磁补偿算法的性能指标具有重要意义。

光泵原子磁力仪实现磁场测量的基本原理如下：在一定大小的外磁场下，原子的能级会产生分裂，分裂成一系列磁子能级，相邻磁子能级之间的频率间隔正比于外磁场的大小，即塞曼效应。光泵原子磁力仪中泵浦光能够改变磁子能级原子数的分布，形成原子系综的极化，进而放大磁共振效应，探测光穿过极化的原子气室被吸收或色散得到包含有磁场信息的磁共振信号，利用该信号得到相邻磁子能级之间的频率间隔，即拉莫频率，进而实现对外磁场大小的测量。

光泵原子磁力仪实现磁场测量，需要保证光泵原子磁力仪光轴与外磁场之间满足一定的夹角关系。如果夹角关系不满足，一方面会减小磁共振信号的幅值，在某些情况下，甚至探测不到磁共振信号(即测量盲区)，系统则无法正常工作。我们利用多个原子气室(一般为充有一定原子气体的玻璃泡)组成的光泵原子磁力仪(以下简称多光系原子磁力仪)消除测量盲区。

此外，即使外磁场不变，光泵原子磁力仪光轴与外磁场方向夹角的变化也会改变磁场的探测结果(即方向误差)。对于在地磁探测中常用的氦原子磁力仪，方向误差产生的主要原因是光频移(光与原子相互作用导致原子能级的移动)。在运动平台上，方向误差问题及其带来的影响尤为显著，主要原因是由于运动平台总是在不断的调整原子磁力仪光轴与地磁场的夹角。因此，优化方向误差及其影响，对提高光泵原子磁力仪在运动平台下的探测性能指标，具有重要意义。

航空磁探测系统包括四个部分，分别是：航空平台，用于搭载测量仪器设备，通常有一定磁干扰；光泵原子磁力仪，用于测量总磁场值；矢量磁力仪，一般选用三分量磁通门磁力仪，用于测量总磁场相对航空平台三个垂直分量的磁场值(以航空平台建立坐标系)，从而计算得到方向余弦；航空磁补偿算法，利用方向余弦和总磁场值实现对航空平台磁干扰和光泵原子磁力仪方向误差的补偿。

航空磁补偿算法决定了系统的探测能力。以常用的飞机平台为例，经典的航空磁补偿算法基于T-L模型，有两个基本假设条件：(1)飞机平台是刚体，(2)外界地磁场是均匀不变或者准静态的。T-L模型由一组系数构成，这组系数是一组与飞机平台本身性质有关的常数，包括三项与飞机的永久磁场相关的系数，五项与飞机的感应磁场相关的系数，八项与飞机的涡流磁场相关的系数。在校准飞行时进行特定周期的横滚、俯仰、偏航三个机动，利用光泵原子磁力仪测得的总磁场和三分量磁通门矢量磁力仪测得的三个正交方向磁场值计算得到的方向余弦通过线性回归的方式求解这组系数，利用得到的系数以及方向余弦结合可进行实时的磁补偿。