способ измерения магнитного поля квантовым магнитометром

Формула изобретения

Способ измерения магнитного поля квантовым магнитометром, основанный на преобразовании частоты процессии в цифровой код, отличающийся тем, что производят измерения в мере магнитной индукции квантовым и образцовым (абсолютным) магнитометрами в диапазоне измеряемых полей, вычисляют значения разности их показаний как функцию измеряемого поля B=f(B_x), которую аппроксимируют отрезками прямых так, чтобы отстояние аппроксимирующих прямых от кривой B=f(B_x) по оси ординат не превышало заданной систематической погрешности, запоминают значения магнитной индукции в точках пересечения аппроксимирующих прямых B_n и соответствующие им разности показаний квантового и образцового магнитометров, в каждом цикле измерений определяют поддиапазон, в котором лежит измеренное значение индукции В_х так, что B_{n - 1}B_x<B, извлекают из памяти значения, соответствующий ближайшим к измеренному значению точкам пересечения аппроксимирующих прямых B_{n -1},B_n, B_n-1, B_n и вычисляют исправленное значение магнитной индукции B_{x испр.} по формуле



где B_n-1 и B_n значения индукции, соответствующие границам поддиапазона, в который попадает измеренное значение индукции;

B_n-1 и B_n значения разности показаний квантового и образцового магнитометров, соответствующие границам поддиапазона.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области магнитных измерений с помощью квантовых магнитометров и может быть использовано для абсолютных измерений геомагнитного поля при наземных, аэро- и других магнитных съемках.

Известны квантовые магнитометры, основанные на эффекте Зеемана в парах щелочных металлов и инертных газов, использующие принцип оптической накачки (например, серийно выпускаемые для геофизических измерений пешеходные магнитометры ММ-ЗЗ, ММ-ЗЗМ, ММП-304, ММ-60 и аэромагнитометры КАМ-28, ММ-305) (Справочник оператора-магниторазведчика /Под ред. В.Е. Никитского. М. Недра, 1987, с. 176), в которых частота процессии преобразуется в цифровой код магнитной индукции. Из всех используемых в геофизике магнитометров квантовые обладают наибольшей чувствительностью (до 0,01 нТл), что обуславливают их широкое применение при поисках и разведке полезных ископаемых.

Общим недостатком квантовых магнитометров является относительно большая систематическая погрешность (от 20 до 40 нТл). Основными источниками этой погрешности являются нелинейная зависимость частоты процессии от внешнего поля и непостоянная для различных приборов даже одной серии фазочастотная характеристика измерительно-преобразовательного тракта. Указанное обстоятельство ограничивает применение квантовых магнитометров областью измерений приращений поля (T магнитометры).

Способ измерения магнитной индукции, используемый в аэромагнитометре ММ-305 (авт. св. N 600727 Преобразователь частоты сигнала в цифровой код) принят за прототип.

Указанный способ не позволяет применять квантовые магнитометры для абсолютных измерений. Кроме того, построение, например, дифференциальных магнитометров и градиентометров на основе квантовых датчиков не позволяет оперативно (на борту носителей) во время съемки судить об аномалиях из-за различных систематических погрешностей, зависящих от значений измеряемой индукции.

Задача изобретения обеспечение возможности применения квантовых магнитометров в качестве абсолютного измерительного средства. Это позволит повысить точность и чувствительность абсолютных измерений магнитного поля. Кроме того, уменьшение систематической погрешности до уровня единиц или долей нанотесла позволит создавать градиентометрические системы с возможностью оценки реальных аномалий в процессе съемки.

Поставленная задача решается следующим образом. В мере магнитной индукции производят измерения квантовым и образцовым (абсолютным) магнитометрами в ряде точек диапазона измеряемых полей. Вычисляют значения систематической погрешности как функцию измеряемого поля: B=f(B_x). Полученную функцию аппроксимируют отрезками прямых так, чтобы отстояние аппроксимирующих прямых от кривой B=f(B_x) по оси ординат не превышало заданной систематической погрешности: записывают в память вычислительного устройства значения магнитной индукции В_n в точках пересечения аппроксимирующих прямых и соответствующие им значения систематической погрешности B_n.. Число аппроксимирующих прямых и соответственно число поддиапазонов могут быть различными и зависят от формы функции B и величины заданной систематической погрешности, которые определяют степень приближения функции линейными участками.

В процессе измерения в каждом цикле определяют поддиапазон, в котором лежит измеренное значение индукции В_x так, что B_n-1B_x<B. Извлекают из памяти значения, соответствующие ближайшим к измеренному значению точкам пересечения аппроксимирующих прямых.

Вычисляют исправленное значение магнитной индукции .

где B_n-1 и B_n значения индукции, соответствующие границам поддиапазона, в который попадает измеренное значение индукции.

B_n-1 и B_n значения систематических погрешностей квантового магнитометра, соответствующие границам поддиапазона.

Таким образом, исправленное значение магнитной индукции оказывается сколь угодно близким к абсолютному в любой точке диапазона измерений, и квантовый магнитометр может быть использован для проведения абсолютных измерений с высокой точностью в реальном масштабе времени.

На фиг. 1 представлены зависимость систематической погрешности от измеряемого поля и аппроксимирующие ее отрезки прямых, поясняющие предлагаемый способ измерения магнитного поля.

На фиг. 2 представлены те же зависимости в диапазон от 20 до 100 мкТл, построенные по результатам измерений пешеходным квантовым магнитометром ММ-60 и абсолютным образцовым магнитометром МДЛ в мере магнитной индукции 1-го разряда.

Для осуществления способа необходимо произвести следующие операции:

1) Преобразовать частоту процессии квантового датчика в цифровой код магнитной индукции.

2) В мере магнитной индукции произвести измерения квантовым и образцовым (абсолютным) магнитометрами.

3) Вычислить значения систематической погрешности как функции измеряемого поля.

4) Полученную функцию аппроксимировать отрезками прямых в зависимости от заданной систематической погрешности.

5) Запомнить значения магнитной индукции B_n в точках пересечения аппроксимирующих прямых и соответствующие им значения систематической погрешности B_n..

6) В каждом цикле измерений определить поддиапазон, в котором лежит измеренное значение индукции В_x так, что В_n-1В_x<В.

7) Извлечь из памяти значения, соответствующие ближайшим к измеренному значению точкам пересечения аппроксимирующих прямых B_n-1, B_n, B_n-1, B_n..

8) Вычислить исправленное значение индукции по формуле:



Кривая зависимости систематической погрешности от измеряемой величины, представленная на фиг. 1, исходя из заданной величины погрешности, аппроксимирована пятью прямыми 1 5, пересекающимися в точках . При этом весь диапазон оказывается разбит на 5 неравных поддиапазонов. Точки на оси абсцисс B₁ и В₆ являются границами диапазона измеряемых полей соответственно 20 и 100 тыс. нТл. Значения координат указанных шести точек запоминают. Пусть, например, измеренное значение магнитной индукции соответствует 75 тыс. нТл. Определяют, что значение лежит в пределах В₄ 75000 В₅. Извлекают из памяти значения B₄, B₅, B₄, B₅ и вычисляют исправленное значение по формуле:



На фиг. 2 представлена реальная кривая B=f(B_x) для переходного квантового магнитометра ММ-60. Величина систематической погрешности в диапазоне измеряемых полей составила от 1,2 до 11,5 нТл. Кривая В f(B_x) аппроксимирована тремя прямыми, исходя из заданной систематической погрешности B_макс 0,5 нТл.. На фиг. 2 это величина отстояния кривой от аппроксимирующей прямой по оси ординат в точке 80 тыс. нТл. Для данного образца необходимо запомнить значения погрешности в точках пересечения аппроксимирующих прямых (20000: 1), (56000:2,7), (91000:8,6), (100000:11,5). Так, для измеренного магнитометром ММ-60 значения магнитной индукции 75000 нТл, исправленное значение будет равно:

что совпадает с контрольным измерением абсолютным магнитометром нТл с точностью 0,3 нТл.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений квантовым магнитометра и применять его в качестве абсолютного магнитометра.