0 引　言

舰船磁场是一种重要的舰船物理场特征^[1]，主要包括静态磁场（DC～0.5 Hz）、低频磁场（0.5～1000 Hz）等，其中静态磁场主要是由于铁磁性舰船在地磁场中磁化产生的，静态磁场是水雷磁引信和航空磁探装备的信号源，其强度相对较大，近场范围内可达数百～数千纳特（nT）；低频磁场的量级相对较小，其强度相对较小，近场范围内通常为10 nT以下量级。现代舰船普遍采取了磁隐身技术以降低舰船被水雷和航空磁探装备探测和攻击的概率。为了科学评价磁隐身的效果，不管是建立在大平面基础上的静态磁场测量法，还是建立在测磁阵列基础上的动态磁场测量法，均需解决影响测磁系统精度的噪声、频带宽度和一致性等问题^{[2 − 4]}。

典型测磁系统的组成示意图如图1所示。可知，典型测磁系统均由磁探头、模拟处理单元、数字采集单元、信息处理单元等组成。

根据不同单元集成的方式和所处的位置（水下、岸上）^{[5 − 7]}，测磁系统主要分为3种方式，第1种是磁探头在水下，第2种是磁探头、模拟处理单元在水下，第3种是磁探头，模拟处理，数字采集均在水下，传感器数字输出至岸上信息处理单元^[8]。根据目前国产化芯片发展的现状，兼顾测量系统的使用寿命要求^[9]，本文立足第2种方式实现测磁阵列系统的研制。研制目标为测量频带为DC～1000 Hz，0.5 Hz以下频带的磁场测量精度为1 nT，0.5～1000 Hz频带的磁场测量精度为0.1 nT。

1 磁通门传感器设计

由图1可知，采用磁探头、模拟处理单元在水下的磁场测量系统构建方式时，存在以下问题：1）现有宽频带磁通门传感器的输出通常为DC～3000 Hz，由于舰船低频磁场信号的幅度远小于静态磁场的幅度，在长距离传输过程中，环境噪声引起的噪声将淹没低频磁场信号的强度，致使不能准确获取低频磁场的通过特性；2）现有模拟输出磁通门传感器采用单端输出，可满足数十米近距离传输的测量要求，数百米甚至上千米距离传输时，共模干扰噪声将转化为差模干扰，从而产生误差信号；3）现有磁通门传感器的RMS噪声可达(6～10 pT)/ sqrt(Hz)@1 Hz，远远低于舰船20 m距离范围内的静态磁场和低频磁场的幅度，可满足磁场测量的要求，但是传感器在水下长期工作，需解决雷暴天气对传感器的损坏；基于上述原因，须在现有低噪声磁通门传感器技术的基础上，研制能够满足水下长期使用的新型磁通门传感器。

1.1 磁通门传感器设计

磁通门传感器采用跑道型设计，磁芯为坡莫合金，其M-H曲线如图2所示。测试条件为：298 K，其中，坡莫合金的矫顽场为107.87 Oe，剩磁为26.715 emu/g，饱和场为1500 Oe，初始磁导率为30.39，饱和磁感应强度为3.03 T。

在坡莫合金特性测试的基础上，参考海洋测磁系统^{[5 − 7]}等设计方法，利用国产化电子元器件，设计并研制了三分量磁通门传感器，该磁通门传感器最小工作电压为24 V。

与传统磁通门传感器相比，设计的磁通门传感器在输出电路方面具有3个变化，X轴输出部分组成示意图如图3所示，Y轴与Z轴的输出与X轴的输出类似。

可知：

1）传感器输出进行了DC～0.5 Hz（直流）、0.5～1000 Hz（交流）分频带处理，其中，DC～0.5 Hz频带对应的量程为−100～+100 µT（100 µT 对应10 V），0.5～1000 Hz频带对应的量程为−1～+1 µT（1 µT对应10 V）；

2）传感器输出由单端输出改为平衡差分输出，即在传感器输出端增加单端转差分输出电路，差分两端的信号幅度相同，相位相反；

3）在差分输出端增加了浪涌保护电路以防止雷击对传感器的损坏，图3中的浪涌保护电路采用GDT和TVS管并联，当雷击发生时，GDT气体放电管做一级防护，再经TVS管做二次限压。

1.2 磁通门传感器灵敏度测试

在实验环境（环境温度：16℃～28℃，环境湿度：45%～75%）条件下，对研制的10个磁通门传感器的灵敏度进行了测试。其基本原理是利用亥姆赫兹线圈产生传感器满量程的磁场$ B $，测试磁传感器输出电压$ V $，计算得到灵敏度$ A = {B \mathord{\left/ {\vphantom {B V}} \right. } V} $。

传感器直流与交流特性测试结果分别如表1和表2所示。可知，分别计算30个直流、交流输出传感器单分量灵敏度的均值为9.9991、0.1001 μT/V，方差为0.0327、0.0003576 μT/V，即传感器直流与交流输出灵敏度具有较好的一致性。

2 采集系统设计

在测量磁场时，需要同时对多个磁通门传感器的输出信号进行同步采集，为此，本文以模块化的设计思想对采集系统进行设计。考虑到测磁系统需同时最小完成8个磁通门传感器的采集，采集单元由8个采集模块组成，每个采集模块包含4路采集子模块（用3备1）。由于磁通门传感器为差分输出，为此，每个采集模块首先实现差分转单端的功能。为了降低放大器前端噪声，选用低噪声仪表放大器AD8429作为前端输入，仪表放大器的增益为1，并对放大后的信号进行抗混叠滤波，抗混叠滤波后的信号直接传输至32位AD转换器LT2508。通过FPGA控制可方便的对每个采集子模块LT2508的采样频率进行设定。

3 传输电缆设计

在设计电缆时，一是要考虑线缆电阻对传感器供电的影响，鉴于磁通门传感器的最小供电电压为24 V，功耗电流为50 mA左右，外部供电电压为48 V时，当电缆长度为2000 m时（电源传输线为4000 m），确保传感器正常工作的电缆压降不能超过6 V/km，即电缆阻抗需小于120 Ω/km，为此本文选用直流电阻为95 Ω/km的双绞屏蔽。

二是要考虑线缆R、C参数对传感器信号的衰减影响。由于电缆绝缘层的相对介电常数通常为1.2～7.0之间，即电磁波在电缆中的传播速度最小值为1.13×10⁵ km/s，磁通门传感器交流输出最大频率为1000 Hz，因此测量频段内的最小波长为113 km，当传输线缆长度小于2000 m时，在分析电缆传输模型时，可采用集总效应进行分析。本文选用电缆的最大电容值为56 pF/m，取2 km电缆的电阻为200 Ω，电容为120 nF，根据RC电路的幅频特性可知，1000 Hz信号经2 km电缆传输后的衰减量为1.12%。

三是要考虑电缆串扰的影响。电源线与传感器信号线之间需重点关注近端串扰（电源纹波对采集端的影响），传感器信号线之间的串扰需重点关注远端串扰（B_x、B_y、B_z输出端对采集端的影响）。为了降低串扰，本文选用双绞屏蔽电缆，并对电缆的串扰特性进行测试，测试结果如图4所示。

可知，随着频率的增加，电缆的串扰抑制能力逐渐降低，在50 Hz时，近端串扰抑制能力为110 dB，若要保证串扰对磁通门传感器的直流特性影响小于0.01 nT（干扰电压峰-峰值将不大于1 µV），则48 V供电电源在50 Hz处的纹波系数应小于0.143%；在10 Hz时远端串扰抑制能力为120 dB以上，即若磁通门传感器单轴输出为100 µT时，对其他轴的影响小于0.1 nT。

4 测磁系统性能验证

为了验证测磁系统的性能，分别在实验室和野外环境条件下进行3个试验。其中，试验1主要完成传感器的衰减特性试验；试验2主要完成8个传感器的一致性检验和测磁系统的噪声特性试验；试验3主要完成对船模和模拟源磁场的测量。

4.1 试验验证1

以1个磁通门传感器为基础，对比分析不同距离电缆传播时信号的衰减特性，其基本原理是，将磁通门传感器放置在同一位置处，在同一外加激励磁场条件下，同步测量磁通门传感器接3 m电缆与1500 m、2000 m电缆的信号，对比分析信号的衰减特性。试验过程在10～3150 Hz频带内按照1/3倍频程选择26个典型测试频点，假定3 m电缆采集的信号为$ {x_{ref}} $，分别计算1500、2000 m电缆采集得到信号$ {x_2} $相对$ {x_{ref}} $的均方根误差，其结果如图5所示。可知，均方根误差随着频率的增加而逐步变大，在1000 Hz频点处的误差值小于3%。

4.2 试验验证2

考虑到以磁场阵列测量舰船磁场信号时，除了对单个传感器指标要求外，还需要考虑传感器阵列的一致性，以8个磁通门传感器为基础，在户外完成一致性检验。具体过程为：将8个磁通门传感器布置在木兰湖湖边（见图6），传感器之间的相邻距离为30 cm左右，并利用1000 m电缆分别将磁通门传感器连接至采集系统，采样频率设定为62.5 Hz，实时记录磁通门传感器的输出。

监测时间为2023年3月26日17：29—2023年4月3日13：59，8个磁通门传感器|B|值如图7(a)所示（图中8个传感器的波形均减去了对应传感器的初始值），以1号磁通门传感器为基准，编号为2～8传感器的|B|与1号传感器|B|的差如图7(b)所示。由图7(a)可发现，除3号与4号传感器偶然的扰动外，8个传感器的输出具有较好的一致性，其中，图7(a)中以24 h为周期出现的负峰值为平静太阳日变化引起的磁场扰动。由图7(b)可发现，2～8号传感器相对于1号传感器的差均出现了周期性的扰动，且周期为24 h，180 h内的波动幅度均小于20 nT；2～8号传感器相对于1号传感器的差并不是一致的，即差值存在随机性，考虑为传感器温度漂移不一致导致的。

为了验证温度对传感器的影响，以图7中差别最大的传感器1号和4号为例，实时监测2个传感器的输出和温度的变化，其中温度记录仪为宇问YET710L（测量精度0.01°C），温度采样间隔为2 min，2023年4月6日18：12-7日14：04测量得到的磁场与温度变化如图8所示。可知，传感器的差异与温度具有较好的一致性，当温度变化由6.4°C变化至29.7°C时，1号和4号传感器的差异峰-峰值接近50 nT。即在利用磁场阵列对静态磁场测量时，必须考虑温度对传感器一致性的影响。

需要说明的是，在利用磁场阵列进行动态目标磁场测量时，通常情况下，需要测量4倍船长范围内的通过特性，对应的测量时间在数百秒范围内，此时温度变化相对较小，因此此时更关注的是短时间内的噪声曲线，随机选取180 s内1号传感器的输出信号，对其进行FFT变换，并计算等效RMS噪声，结果如图9所示。可知，在远离人工磁场干扰源时，自然环境条件下，1000 m电缆传输时，三轴磁场的噪声峰-峰值均小于2 nT，B_x、B_z中存在频率为2.039、4.078、8.156、16.310 Hz线谱信号，B_y中对应频率条件下的线谱信号不明显。上述线谱信号初步考虑为：相邻传感器励磁频率$ {f_1} $与$ {f_2} $作用在感磁线圈上，感磁线圈二次谐波频率$ 2{f_1} $、$ 2{f_2} $耦合产生的$ \Delta f = 2\left| {{f_2} - {f_1}} \right| $拍频信号，该信号在传感器距离较近时会出现。B_x、B_y、B_z三轴传感器在1 Hz处对应的噪声值的分别为−27.2、−31.8、−25.7 dB，均小于60 pT，满足舰船磁场的测量要求。

野外试验期间，还测量得到了雷电天气条件下的磁场信号，8个磁通门传感器同时测量得到的雷电信号如图10所示。可知，在雷暴天气条件下，环境磁场存在瞬态扰动信号，其强度可达数十nT以上，且8个磁通门传感器的扰动信号具有明显的相关性，这是由于雷暴为远场干扰的缘故，对于该干扰信号，可通过如图7(b)所示的方法进行剔除。

4.3 试验验证3

以8个磁通门传感器为基础，构建实验室缩比船模磁场测量系统，磁通门传感器沿着中轴线左右对称布置，左右传感器之间的间距为10 cm，中间相邻2个传感器之间的间距为16 cm，每个磁通门传感器通过2000 m电缆连接至采集器。

图11为缩比模型通过时测量得到的磁场信号，其中，缩比模型长度为4.56 m，宽度为45 cm，传感器距离缩比模型的高度为90 cm。

图12为水平交流模拟磁源模型通过时测量得到的磁场信，其中，交流模拟磁源的频率为1000 Hz。可知，利用所构建的磁场测量系统，即使在2000 m电缆模拟传输条件下，能够实现对缩比模型和模拟源磁场的准确测量。

5 结　语

为了实现对舰船磁场信号的准确测量，本文在现有磁通门传感器设计基础上，将单端输出改为平衡差分输出，解决了模拟信号长距离传输的问题，对磁通门传感器分频带输出，提高了低频磁场信号的信噪比，解决了长距离传输时，串扰信号对低频磁场影响较大的问题。经过实验室和野外环境实验验证，研制的磁场测量系统性能可靠，可实现2000 m电缆条件下1000 Hz频带以下信号的准确采集。一方面，受传感器温度漂移离散性的影响，当温度变化由6.4°C变化至29.7°C时，2个传感器的差异峰-峰值接近50 nT，在静态磁场测量时需解决传感器温漂一致性的问题；另一方面，海上试验时，还存在海浪运动切割地磁产生的干扰信号，因此在动态磁场测量时，还需解决海浪、潮汐、海流等对动态磁场测量准确度的影响。