CN110118948A - 一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法及装置，所述方法包括：对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定；通过高灵敏度三轴SQUID磁强计对待测环境中的磁场分量进行测量，并在磁场分量值大于预设阈值时对相应高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；同时利用相应低灵敏度SQUID收集高灵敏度SQUID在死区时间内发生的磁通变化以获取磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内高灵敏度SQUID测得的磁场分量值进行补偿，以获取准确磁场分量值；基于准确磁场分量值进行总场合成，以获取待测环境中的总场。通过本发明解决了现有技术中使用三轴矢量磁通门进行总场测量时探测精度较低的问题。

Description

一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法及装置

技术领域

本发明属于超导应用领域，特别是涉及一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法及装置。

背景技术

三轴磁传感器件组成的矢量、梯度及张量系统在地磁导航、考古、未爆炸物检测等领域广泛应用，三轴矢量磁传感器不但能获取磁场正交三分量信息，而且还能用三分量信息求取总场信息，较传统的磁场标量探测器拥有更多测量信息。

目前通常采用三轴矢量磁通门作为三轴磁传感器进行总场合成，其总场精度约达1nT；但随着相关领域的发展，对获取高精度总场信息的需求也日益提高，因此如何提高总场信息的测量精度是本领域技术人员迫切需要解决的技术问题。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法及装置，用于解决现有技术中使用三轴矢量磁通门进行总场测量时探测精度较低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法，所述总场测量方法包括：

对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定；

于待测环境中对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行工作点锁定，之后通过所述高灵敏度三轴SQUID磁强计对所述待测环境中的磁场分量进行测量，并在磁场分量值大于预设阈值时，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；

同时利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID收集所述高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内所述高灵敏度SQUID测得的磁场分量值进行补偿，以获取准确磁场分量值；

基于所述准确磁场分量值进行总场合成，以获取所述待测环境中的总场。

可选地，对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移标定的方法包括：

基于参考三轴磁强计对地球磁场进行测量以获取地球磁场参考值，之后基于所述地球磁场参考值调节三维亥姆赫兹线圈的驱动信号，使所述三维亥姆赫兹线圈产生与所述地球磁场大小相等、方向相反的抵消磁场；

基于所述抵消磁场对所述地球磁场进行磁场抵消，并对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行工作点锁定，之后逐步移除所述抵消磁场；

以光泵作为总场测量参考源，并通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值和与其对应的参考磁场分量值；

基于多组标定磁场分量值、多组参考磁场分量值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值。

可选地，逐步移除所述抵消磁场的方法包括：按照预设斜率线性减小施加于所述三维亥姆赫兹线圈上的所述驱动信号，从而使所述抵消磁场按预设斜率线性移除。

可选地，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移最优标定值的方法包括：将多组标定磁场分量值和多组参考磁场分量值代入标定误差模型中，同时基于修正后的标定磁场分量值进行总场合成，并在总场标定参考模型取最小值时获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值；其中所述标定误差模型包括：

或

B为所述光泵输出的参考磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的非正交角度，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的灵敏度校正系数，O_x、O_y、O_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的零点偏移，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计输出的标定磁场分量值；

其中总场合成公式包括：

T_i为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点合成的总场，B_xi、B_yi、B_zi为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点输出的关于X轴、Y轴、Z轴修正后的标定磁场分量值；

其中总场标定参考模型包括：

H₀为均方误差，T_m为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第m个测量点合成的总场，GT_c为所述光泵在第i个测量点合成的总场与其在第m个测量点合成的总场的差值。

可选地，对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移标定的方法包括：

基于标定源提供预设频率和幅值的交变磁场，并通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值，同时忽略所述零点偏移的影响；

基于交变磁场下的多组标定磁场分量值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值；

于恒定磁场环境下，通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值；

基于恒定磁场下的多组所述标定磁场分量值、所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移的最优标定值。

可选地，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度最优标定值的方法包括：将交变磁场下的多组标定磁场分量值代入标定误差模型中，以直接获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值，其中所述标定误差模型忽略所述零点偏移的影响；此时所述标定误差模型包括：

或

B为所述标定源输出的参考磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的非正交角度，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的灵敏度校正系数，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在交变磁场下输出的标定磁场分量值。

可选地，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移最优标定值的方法包括：将恒定磁场下的多组所述标定磁场分量值及所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值代入标定误差模型中，同时基于恒定磁场下修正后的所述标定磁场分量值进行总场合成，并在总场标定参考模型取最小值时获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移的最优标定值；其中所述标定误差模型包括：

或

B为恒定磁场对应的磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴非正交角度的最优标定值，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴灵敏度校正系数的最优标定值，O_x、O_y、O_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的零点偏移，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在恒定磁场下输出的标定磁场分量值；

其中总场合成公式包括：

T_i为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点合成的总场，B_xi、B_yi、B_zi为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点输出的关于X轴、Y轴、Z轴修正后的标定磁场分量值；

其中总场标定参考模型包括：

H₀为均方误差，T_m为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第m个测量点合成的总场，GT_c为恒定磁场在第i个测量点合成的总场与其在第m个测量点合成的总场的差值。

可选地，获取不同姿态下多组标定磁场分量值的方法包括：通过所述高灵敏度三轴SQUID磁强计获取标定磁场原始分量值，并在所述标定磁场原始分量值大于所述预设阈值时，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；同时利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID收集所述高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内所述高灵敏度SQUID测得的标定磁场原始分量值进行补偿，以获取标定磁场分量值。

可选地，所述总场测量方法还包括：去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间串扰的步骤；所述步骤包括：通过降低所述预设阈值、增加所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的空间距离及/或于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计对应读出电路的反馈电阻后端增加一电容，以降低所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在死区时间内的磁通变化，从而去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的串扰。

本发明还提供了一种基于超导量子干涉仪的总场测量装置，所述总场测量装置包括：测量系统及与所述测量系统配合使用的标定系统；其中所述测量系统包括：

低温容器杜瓦，内置低温液体，用于提供低温超导环境；

磁场分量测量组件，包括高灵敏度三轴SQUID磁强计和低灵敏度三轴SQUID磁强计，平行放置于所述低温容器杜瓦中，所述高灵敏度三轴SQUID磁强计用于对磁场分量进行测量，所述低灵敏度三轴SQUID磁强计用于收集所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数；

多通道SQUID读出电路，包括高灵敏度SQUID读出单元和低灵敏度SQUID读出单元，所述高灵敏度SQUID读出单元电连接于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计，所述低灵敏度SQUID读出单元电连接于所述低灵敏度三轴SQUID磁强计，所述高灵敏度SQUID读出单元用于读取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中一高灵敏度SQUID输出的磁场分量值，并在所述磁场分量值大于预设阈值时产生复位信号，以控制所述高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；所述低灵敏度三轴SQUID读出单元用于在所述高灵敏度SQUID处于死区时间时，读取所述低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID输出的磁通量子跳跃数；

测控组件，电连接于所述高灵敏度SQUID读出单元和所述低灵敏度SQUID读出单元，用于根据所述低灵敏度SQUID读出单元输出的磁通量子跳跃数对所述高灵敏度SQUID读出单元输出的磁场分量值进行补偿以获取准确磁场分量值，并基于所述准确磁场分量值进行总场合成以获取所述待测环境中的总场；

其中所述标定系统用于在所述测量系统工作之前，与所述测量系统配合使用以对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定；此时所述测控组件还用于获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值，以在所述测量系统工作时，基于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值对所述高灵敏度SQUID读出单元输出的磁场分量值进行修正。

可选地，所述标定系统包括：

参考三轴磁强计，用于对地球磁场进行测量以获取地球磁场参考值；

驱动源，电连接于所述参考三轴磁强计，用于根据所述地球磁场参考值产生一驱动电流，之后逐步移除所述驱动电流；

三维亥姆赫兹线圈，电连接于所述驱动源，用于在所述驱动电流的控制下产生与所述地球磁场大小相等、方向相反的抵消磁场，之后通过逐步移除所述驱动电流实现逐步移除所述抵消磁场；

光泵，设于所述测量系统一侧且与所述测控组件电连接，用于作为总场测量参考源以提供参考磁场分量值；

姿态调整结构，用于固定所述测量系统，并通过对其进行定点旋转以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计的姿态调整。

可选地，所述标定系统包括：

标定源，用于提供预设频率和幅值的交流驱动电流；

三维亥姆赫兹线圈或标准磁偶极子，电连接于所述标定源，用于在所述交流驱动电流的控制下产生一交变磁场；

姿态调整结构，用于固定所述测量系统，并通过对其进行定点旋转以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计的姿态调整。

可选地，所述高灵敏度SQUID读出单元包括：

高灵敏度SQUID磁通锁定环，电连接于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中一高灵敏度SQUID，用于对所述高灵敏度SQUID进行复位及工作点锁定，并在所述高灵敏度SQUID处于工作点锁定状态时，读取所述高灵敏度SQUID测得的磁场分量值；

数据采集单元，电连接于所述高灵敏度SQUID磁通锁定环，用于采集所述高灵敏度SQUID磁通锁定环读取的磁场分量值；

阈值检测单元，电连接于所述数据采集单元，用于比较所述磁场分量值和所述预设阈值，并在所述磁场分量值大于所述预设阈值时产生一复位信号；

复位单元，电连接于所述阈值检测单元和所述高灵敏度SQUID磁通锁定环，用于根据所述复位信号控制所述高灵敏度SQUID磁通锁定环进行复位后再重新锁定工作点，从而实现控制所述高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点。

可选地，所述高灵敏度SQUID读出单元还包括：串扰去除单元，电连接于所述高灵敏度SQUID磁通锁定环中反馈电阻的后端，用于去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的串扰；其中所述串扰去除单元包括一电容。

可选地，所述低灵敏度SQUID读出单元包括：

低灵敏度SQUID磁通锁定环，电连接于所述低灵敏度三轴SQUID磁强计中一低灵敏度SQUID，用于在所述高灵敏度SQUID处于死区时间时，读取所述低灵敏度SQUID测得的磁通量子跳跃数；

数据采集单元，电连接于所述低灵敏度SQUID磁通锁定环，用于采集所述低灵敏度SQUID磁通锁定环读取的磁通量子跳跃数。

如上所述，本发明的一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法及装置，具有以下有益效果：

本发明利用具有高灵敏度的超导量子干涉仪构成三轴磁传感器，并以此实现总场信息的高精度测量；同时本发明更利用两组分立的高精度三轴SQUID磁强计和低灵敏度三轴SQUID磁强计实现了无死区磁通量子计数，从而进一步提高了总场信息的测量精度。

本发明利用参考三轴磁强计和三维亥姆赫兹线圈提供了一个近似地球磁场大小的抵消磁场，从而为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计提供了一个近似零磁场的标定环境，以减小高灵敏度SQUID的零点偏移，使其测量值尽量接近绝对测量值，从而解决了因高灵敏度SQUID是相对量测量而导致的初始零点偏移较大的问题。

本发明通过先在交变磁场中对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度和灵敏度的标定，之后在恒定磁场中对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行零点偏移的标定，即先后在交变磁场和恒定磁场中分步对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定，从而有效降低了解算标定误差模型的计算量。

本发明在标定过程中，利用光泵的相对变化量而非其绝对量，作为高灵敏度三轴SQUID磁强计合成总场的标定参考，在利用光泵高分辨率特性的同时，避免了其零点偏移和航向差引起的测量误差，提高了标定精度。

本发明通过降低所述预设阈值、增加所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的空间距离及/或于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计对应读出电路的反馈电阻后端增加一电容，以降低所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在死区时间内的磁通变化，从而去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的串扰，提高总场信息的测量精度。

附图说明

图1显示为本发明实施例一所述总场测量方法的流程图。

图2显示为本发明实施例一所述一种标定误差模型的示意图。

图3显示为本发明实施例一所述另一种标定误差模型的示意图。

图4显示为本发明实施例二所述总场测量装置的一种结构示意图。

图5显示为本发明实施例二所述磁场分量测量组件的结构示意图。

图6显示为本发明实施例二所述高灵敏度SQUID读出单元的结构示意图。

图7显示为本发明实施例二所述低灵敏度SQUID读出单元的结构示意图。

图8显示为本发明实施例二所述总场测量装置的另一种结构示意图。

元件标号说明

10 地面

20 测量系统

21 低温容器杜瓦

22 磁场分量测量组件

221 安装座

222 高灵敏度三轴SQUID磁强计

223 低灵敏度三轴SQUID磁强计

23 多通道SQUID读出电路

231 高灵敏度SQUID读出单元

2311 高灵敏度SQUID磁通锁定环

2312 第一数据采集单元

2313 阈值检测单元

2314 复位单元

2315 串扰去除单元

232 低灵敏度SQUID读出单元

2321 低灵敏度SQUID磁通锁定环

2322 第二数据采集单元

24 测控组件

30 标定系统

31 参考三轴磁强计

32 驱动源

33 三维亥姆赫兹线圈

34 光泵

35 姿态调整结构

36 标定源

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1至图8。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，虽图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。

实施例一

如图1所示，本实施例提供一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法，所述总场测量方法包括：

步骤1)对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定。

作为一示例，对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移标定的方法包括：

步骤1.1a)基于参考三轴磁强计对地球磁场进行测量以获取地球磁场参考值，之后基于所述地球磁场参考值调节三维亥姆赫兹线圈的驱动信号，使所述三维亥姆赫兹线圈产生与所述地球磁场大小相等、方向相反的抵消磁场。需要注意的是，通过参考三轴磁强计进行地球磁场测量时，由于测量误差的存在，使得测量值与地球磁场真实值之间存在误差；也就是说，参考三轴磁强计输出的测量值并不完全等于地球磁场的大小，其通常会小于地球磁场大小，从而使得后续基于三维亥姆赫兹线圈进行地球磁场抵消时，无法真正做到抵消后的磁场为零；故在实际应用中，可根据需要实现抵消后的磁场小于某一数值即可，如设定抵消后的磁场小于10nT。

步骤1.2a)基于所述抵消磁场对所述地球磁场进行磁场抵消，并对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行工作点锁定，之后逐步移除所述抵消磁场。本实施例通过在磁场近似为零的区域内对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行工作点锁定，可减小高灵敏度三轴SQUID磁强计中高灵敏度SQUID的零点偏移，使其测量值更接近绝对测量值，从而解决了因高灵敏度SQUID是相对量测量而导致的初始零点偏移较大的问题，进而避免后续标定时出现局部最优解。需要注意的是，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行工作点锁定是本领域技术人员所公知的，故在此不再赘述。

具体的，逐步移除所述抵消磁场的方法包括：按照预设斜率线性减小施加于所述三维亥姆赫兹线圈上的所述驱动信号，从而使所述抵消磁场按预设斜率线性移除；其中所述预设斜率应根据实际应用中高灵敏度SQUID和低灵敏度SQUID的相关技术参数进行设定，以使因移除抵消磁场带来的信号变化率不超过高灵敏度SQUID和低灵敏度SQUID的摆率，从而防止高灵敏度SQUID和低灵敏度SQUID因摆率不足而失锁。当然，其它能够实现所述抵消磁场逐步移除的方法同样适用于本实施例，但需防止高灵敏度SQUID和低灵敏度SQUID因摆率不足而失锁。

步骤1.3a)以光泵作为总场测量参考源，并通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值和与其对应的参考磁场分量值。需要注意的是，在以光泵作为总场测量参考源时，光泵与所述测量系统(特别是高灵敏度三轴SQUID磁强计)之间的距离设定应避免彼此相互影响。

具体的，基于姿态调整结构对所述测量系统进行多角度定点旋转，以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行姿态调整，从而获取不同姿态下的多组标定磁场分量值，同时读取光泵测量值以获取与不同姿态下的标定磁场分量值一一对应的参考磁场分量值。需要注意的是，通过姿态调整结构对所述测量系统进行多角度定点旋转时，应保证高灵敏度三轴SQUID磁强计的测点位置不发生改变。

具体的，获取不同姿态下多组标定磁场分量值的方法包括：通过所述高灵敏度三轴SQUID磁强计获取标定磁场原始分量值，并在所述标定磁场原始分量值大于所述预设阈值时，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；同时利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID收集所述高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内所述高灵敏度SQUID测得的标定磁场原始分量值进行补偿，以获取标定磁场分量值；其中标定磁场分量值＝高灵敏度SQUID复位前测得标定磁场分量值+磁通量子跳跃数+高灵敏度SQUID复位后测得标定磁场分量值。

步骤1.4a)基于多组标定磁场分量值、多组参考磁场分量值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值。

具体的，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移最优标定值的方法包括：将多组标定磁场分量值和多组参考磁场分量值代入标定误差模型中，同时基于修正后的标定磁场分量值进行总场合成，并在总场标定参考模型取最小值时获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值；其中所述标定误差模型包括：

或

B为所述光泵输出的参考磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的非正交角度，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的灵敏度校正系数，O_x、O_y、O_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的零点偏移，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计输出的标定磁场分量值；

其中总场合成公式包括：

T_i为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点合成的总场，B_xi、B_yi、B_zi为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点输出的关于X轴、Y轴、Z轴修正后的标定磁场分量值；

其中总场标定参考模型包括：

H₀为均方误差，T_m为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第m个测量点合成的总场，GT_c为所述光泵在第i个测量点合成的总场与其在第m个测量点合成的总场的差值。

其中，在理想三轴坐标系oxyz和实际三轴坐标系ox’y’z’之间如图2所示(即理想三轴坐标系oxyz中的z轴与实际三轴坐标系ox’y’z’中的z’轴重合，实际三轴坐标系ox’y’z’中的轴线oy’在平面yoz上，此时假定轴线oy’与轴线oy的夹角为β，轴线ox’与平面xoz的夹角为γ，轴线ox’在平面xoz的投影与平面xoy的夹角为α)时，其对应的所述标定误差模型为而在理想三轴坐标系oxyz和实际三轴坐标系ox’y’z’之间如图3所示(即理想三轴坐标系oxyz中的z轴与实际三轴坐标系ox’y’z’中的z’轴重合，实际三轴坐标系ox’y’z’中的轴线ox’在平面xoz上，此时假定轴线ox’与轴线ox的夹角为α，轴线oy’与平面xoy的夹角为γ，轴线oy’在平面xoy的投影与平面yoz的夹角为β)时，其对应的所述标定误差模型为需要注意的是，本实施例仅示出了同时包含非正交度、灵敏度和零点偏移三个标定量的标定误差模型中的两种示例；当然，其它同时包含非正交度、灵敏度和零点偏移三个标定量的标定误差模型也同样适用于本实施例。

其中，可基于最小二乘法、遗传算法等方法对总场标定参考模型求取最小值，并且在求取最小值的过程中，m可取为t+1。本实施例利用光泵的相对变化量而非其绝对量作为高灵敏度三轴SQUID磁强计合成总场的标定参考，在利用光泵高分辨率特性的同时，避免了其零点偏移和航向差引起的测量误差，提高了标定精度。

作为另一示例，对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移标定的方法包括：

步骤1.1b)基于标定源提供预设频率和幅值的交变磁场，并通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值，同时忽略所述零点偏移的影响。本实施例通过在预设频率和幅值的交变磁场下对高灵敏度SQUID进行标定，可忽略零点偏移对高灵敏度SQUID的影响。

具体的，产生交变磁场的方法包括：基于标定源提供一预设频率和幅值的交流驱动电流，并以此控制三维亥姆赫兹线圈或标准磁偶极子产生一交变磁场；其中所述交流驱动电流优选为正弦波。

具体的，基于姿态调整结构对所述测量系统进行多角度定点旋转，以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行姿态调整，从而获取不同姿态下的多组标定磁场分量值。需要注意的是，通过姿态调整结构对所述测量系统进行多角度定点旋转时，应保证高灵敏度三轴SQUID磁强计的测点位置不发生改变。

具体的，获取不同姿态下多组标定磁场分量值的方法包括：通过所述高灵敏度三轴SQUID磁强计获取标定磁场原始分量值，并在所述标定磁场原始分量值大于所述预设阈值时，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；同时利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID收集所述高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内所述高灵敏度SQUID测得的标定磁场原始分量值进行补偿，以获取标定磁场分量值；其中标定磁场分量值＝高灵敏度SQUID复位前测得标定磁场分量值+磁通量子跳跃数+高灵敏度SQUID复位后测得标定磁场分量值。

步骤1.2b)基于交变磁场下的多组标定磁场分量值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值。

具体的，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度最优标定值的方法包括：将交变磁场下的多组标定磁场分量值代入标定误差模型中，以直接获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值，其中所述标定误差模型忽略所述零点偏移的影响；此时所述标定误差模型包括：

或

B为所述标定源输出的参考磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的非正交角度，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的灵敏度校正系数，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在交变磁场下输出的标定磁场分量值。

其中，在理想三轴坐标系oxyz和实际三轴坐标系ox’y’z’之间如图2所示(即理想三轴坐标系oxyz中的z轴与实际三轴坐标系ox’y’z’中的z’轴重合，实际三轴坐标系ox’y’z’中的轴线oy’在平面yoz上，此时假定轴线oy’与轴线oy的夹角为β，轴线ox’与平面xoz的夹角为γ，轴线ox’在平面xoz的投影与平面xoy的夹角为α)时，其对应的所述标定误差模型为而在理想三轴坐标系oxyz和实际三轴坐标系ox’y’z’之间如图3所示(即理想三轴坐标系oxyz中的z轴与实际三轴坐标系ox’y’z’中的z’轴重合，实际三轴坐标系ox’y’z’中的轴线ox’在平面xoz上，此时假定轴线ox’与轴线ox的夹角为α，轴线oy’与平面xoy的夹角为γ，轴线oy’在平面xoy的投影与平面yoz的夹角为β)时，其对应的所述标定误差模型为需要注意的是，本实施例仅示出了同时包含非正交度、灵敏度和零点偏移三个标定量的标定误差模型中的两种示例；当然，其它同时包含非正交度、灵敏度和零点偏移三个标定量的标定误差模型也同样适用于本实施例。

具体的，在通过交变磁场对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度和灵敏度标定时，为了提高标定精度，应将因加载交变磁场而引起的涡流干扰去除；如先利用涡流干扰与磁场变化率(dB/dt)成正比，在因加载交变磁场而引起涡流干扰后，通过测量X轴、Y轴、Z轴三个方向上的涡流干扰与磁场变化率的比值，可得到涡流干扰与磁场变化率的比例系数，从而在后续测量过程中，只需根据磁场变化率和得到的比例系数即可获取待去除的涡流干扰，从而避免了涡流干扰的多次测量，之后在获取的标定磁场分量值的基础上直接减去所述待去除涡流干扰即可。当然，其它可实现涡流干扰测量和去除的方法同样适用于本实施例。需要注意的是，由于本实施例所述测量系统是基于姿态调整结构进行的多角度定点旋转，此时涡流干扰虽然存在但其变化量可忽略，因此本实施例因交变磁场引起的涡流干扰可无需去除。

步骤1.3b)于恒定磁场环境下，通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值。需要注意的是，为了简化标定装置和方法，本实施例所述恒定磁场是指地球磁场；当然，其它恒定磁场也同样适用于本实施例，如基于标定源提供恒定电流，并以此控制三维亥姆赫兹线圈或标准磁偶极子产生一恒定磁场。

具体的，基于姿态调整结构对所述测量系统进行多角度定点旋转，以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行姿态调整，从而获取不同姿态下的多组标定磁场分量值。需要注意的是，通过姿态调整结构对所述测量系统进行多角度定点旋转时，应保证高灵敏度三轴SQUID磁强计的测点位置不发生改变。当然，也可以通过其它旋转结构对所述测量系统进行非定点旋转。

具体的，获取不同姿态下多组标定磁场分量值的方法包括：通过所述高灵敏度三轴SQUID磁强计获取标定磁场原始分量值，并在所述标定磁场原始分量值大于所述预设阈值时，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；同时利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID收集所述高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内所述高灵敏度SQUID测得的标定磁场原始分量值进行补偿，以获取标定磁场分量值；其中标定磁场分量值＝高灵敏度SQUID复位前测得标定磁场分量值+磁通量子跳跃数+高灵敏度SQUID复位后测得标定磁场分量值。

步骤1.4b)基于恒定磁场下的多组所述标定磁场分量值、所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移的最优标定值。

具体的，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移最优标定值的方法包括：将恒定磁场下的多组所述标定磁场分量值及所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值代入标定误差模型中，同时基于恒定磁场下修正后的所述标定磁场分量值进行总场合成，并在总场标定参考模型取最小值时获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移的最优标定值；其中所述标定误差模型包括：

或

B为恒定磁场对应的磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴非正交角度的最优标定值，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴灵敏度校正系数的最优标定值，O_x、O_y、O_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的零点偏移，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在恒定磁场下输出的标定磁场分量值；

其中总场合成公式包括：

T_i为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点合成的总场，B_xi、B_yi、B_zi为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点输出的关于X轴、Y轴、Z轴修正后的标定磁场分量值；

其中总场标定参考模型包括：

H₀为均方误差，T_m为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第m个测量点合成的总场，GT_c为恒定磁场在第i个测量点合成的总场与其在第m个测量点合成的总场的差值。

其中，在理想三轴坐标系oxyz和实际三轴坐标系ox’y’z’之间如图2所示(即理想三轴坐标系oxyz中的z轴与实际三轴坐标系ox’y’z’中的z’轴重合，实际三轴坐标系ox’y’z’中的轴线oy’在平面yoz上，此时假定轴线oy’与轴线oy的夹角为β，轴线ox’与平面xoz的夹角为γ，轴线ox’在平面xoz的投影与平面xoy的夹角为α)时，其对应的所述标定误差模型为而在理想三轴坐标系oxyz和实际三轴坐标系ox’y’z’之间如图3所示(即理想三轴坐标系oxyz中的z轴与实际三轴坐标系ox’y’z’中的z’轴重合，实际三轴坐标系ox’y’z’中的轴线ox’在平面xoz上，此时假定轴线ox’与轴线ox的夹角为α，轴线oy’与平面xoy的夹角为γ，轴线oy’在平面xoy的投影与平面yoz的夹角为β)时，其对应的所述标定误差模型为需要注意的是，本实施例仅示出了同时包含非正交度、灵敏度和零点偏移三个标定量的标定误差模型中的两种示例；当然，其它同时包含非正交度、灵敏度和零点偏移三个标定量的标定误差模型也同样适用于本实施例；但在选取标定误差模型时，需保证步骤1.2b)和步骤1.4b)所述标定误差模型相同。

其中，可基于最小二乘法、遗传算法等方法对总场标定参考模型求取最小值，并且在求取最小值的过程中，m可取为t+1。本实施例利用光泵的相对变化量而非其绝对量作为高灵敏度三轴SQUID磁强计合成总场的标定参考，在利用光泵高分辨率特性的同时，避免了其零点偏移和航向差引起的测量误差，提高了标定精度。

步骤2)于待测环境中对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行工作点锁定，之后通过所述高灵敏度三轴SQUID磁强计对所述待测环境中的磁场分量进行测量，并在磁场分量值大于预设阈值时，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；同时利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID收集所述高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内所述高灵敏度SQUID测得的磁场分量值进行补偿，以获取准确磁场分量值。需要注意的是，由于低灵敏度三轴SQUID磁强计比高灵敏度三轴SQUID磁强计的噪声大，故在两者在对同一磁场进行测量时，低灵敏度三轴SQUID磁强计可以获得高灵敏度三轴SQUID磁强计在其本底噪声水平的磁场变化，此时若高灵敏度三轴SQUID磁强计的灵敏度高于该噪声水平，则低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应低灵敏度SQUID即可获得高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应高灵敏度SQUID的磁通跳跃数。本实施例基于两组分立的低灵敏度三轴SQUID磁强计和高灵敏度三轴SQUID磁强计实现了无死区磁通量子计数，即利用高灵敏度三轴SQUID磁强计进行磁场分量测量，并在高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应高灵敏度SQUID处于从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内时，利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中对应的低灵敏度SQUID收集高灵敏度SQUID在该死区时间内发生的磁通变化，并以此对高灵敏度SQUID在该死区时间内测得的磁场分量进行补偿，从而实现无死区测量。在实际应用中，为了避免高灵敏度SQUID的磁通量子跳跃点与数据采集的采样点重合，可适当降低预设阈值以保留一定的输出裕度，从而在不发生输出超量程而导致溢出的前提下，在数据采样后延迟产生磁通量子跳跃(如将从或门输出的复位信号和数据采集时钟信号的反相信号做逻辑与后，再控制复位单元进行复位操作)。同时在所述测量系统正常工作时，应避免低灵敏度三轴SQUID磁强计失锁，即使其量程一直处于锁定状态。具体的，准确磁场分量值＝高灵敏度SQUID复位前测得的磁场分量值+磁通量子跳跃数+高灵敏度SQUID复位后测得的磁场分量值。

步骤3)基于所述准确磁场分量值进行总场合成，以获取所述待测环境中的总场。

作为示例，将准确磁场分量值代入中，从而得到所述待测环境中的总场；其中T为所述待测环境中的总场，B_x、B_y、B_z为X轴、Y轴、Z轴的准确磁场分量值。

作为示例，在对所述高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点时，为了尽量缩短死区时间，通常将复位时间设置的很短，从而导致了高灵敏度SQUID之间会产生很大的磁场串扰；因此所述总场测量方法还包括：去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间串扰的步骤；所述步骤包括：通过降低所述预设阈值、增加所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的空间距离及/或于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计对应读出电路的反馈电阻后端增加一电容，以降低所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在死区时间内的磁通变化，从而去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的串扰。需要注意的是，在通过降低所述预设阈值去除高灵敏度SQUID之间的串扰时，所述预设阈值的下降程度可根据实际需要进行设定，本实施例并不对所述预设阈值的具体下降数值进行限制；而在通过增加高灵敏度SQUID之间的空间距离去除高灵敏度SQUID之间的串扰时，在保证高灵敏度SQUID之间的空间距离能够实现串扰去除的同时，还要保证高灵敏度SQUID之间的空间距离不会产生二阶梯度的影响。

如图4至图8所示，本实施例还提供了一种基于超导量子干涉仪的总场测量装置，所述总场测量装置包括：测量系统20及与所述测量系统20配合使用的标定系统30；其中所述测量系统20包括：

低温容器杜瓦21，内置低温液体，用于提供低温超导环境；

磁场分量测量组件22，包括高灵敏度三轴SQUID磁强计222和低灵敏度三轴SQUID磁强计223，平行放置于所述低温容器杜瓦21中，所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222用于对磁场分量进行测量，所述低灵敏度三轴SQUID磁强计223用于收集所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222中相应高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数；

多通道SQUID读出电路23，包括高灵敏度SQUID读出单元231和低灵敏度SQUID读出单元232，所述高灵敏度SQUID读出单元231电连接于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222，所述低灵敏度SQUID读出单元232电连接于所述低灵敏度三轴SQUID磁强计223，所述高灵敏度SQUID读出单元231用于读取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222中一高灵敏度SQUID输出的磁场分量值，并在所述磁场分量值大于预设阈值时产生复位信号，以控制所述高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；所述低灵敏度三轴SQUID读出单元232用于在所述高灵敏度SQUID处于死区时间时，读取所述低灵敏度三轴SQUID磁强计223中相应的低灵敏度SQUID输出的磁通量子跳跃数；

测控组件24，电连接于所述高灵敏度SQUID读出单元231和所述低灵敏度SQUID读出单元232，用于根据所述低灵敏度SQUID读出单元232输出的磁通量子跳跃数对所述高灵敏度SQUID读出单元231输出的磁场分量值进行补偿以获取准确磁场分量值，并基于所述准确磁场分量值进行总场合成以获取所述待测环境中的总场；

其中所述标定系统30用于在所述测量系统20工作之前，与所述测量系统20配合使用以对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定；此时所述测控组件24还用于获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值，以在所述测量系统20工作时，基于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值对所述高灵敏度SQUID读出单元231输出的磁场分量值进行修正。

作为示例，如图5所示，所述磁场分量测量组件22包括：安装座221，安装于所述安装座221上的高灵敏度三轴SQUID磁强计222和低灵敏度三轴SQUID磁强计223；其中所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222包括三个正交设置的高灵敏度SQUID(如B_x1、B_y1、B_z1)，同时三个高灵敏度SQUID分别安装于所述安装座221的三个相邻表面，并在避免信号串扰的前提下尽量彼此贴近安装，以避免二阶梯度的影响(若为了去除高灵敏度SQUID之间的串扰，需增加高灵敏度SQUID之间的空间距离时，应在避免其受二阶梯度影响的情况下，适当增加三个高灵敏度SQUID的空间距离，如增大安装座221的体积或将三个高灵敏度SQUID向低灵敏度SQUID方向移动等)；所述低灵敏度三轴SQUID磁强计223包括三个正交设置的低灵敏度SQUID(如B_x2、B_y2、B_z2)，同时三个低灵敏度SQUID分别与三个高灵敏度SQUID一一对应安装(即B_x2和B_x1安装于所述安装座221的同一表面、B_y2和B_y1安装于所述安装座221的同一表面、B_z2和B_z1安装于所述安装座221的同一表面)。为了保证位于同一表面的所述高灵敏度SQUID和所述低灵敏度SQUID测得的磁场分量尽可能一致，应尽量保证位于同一表面的所述高灵敏度SQUID和所述低灵敏度SQUID平行设置。需要注意的是，此处所述高灵敏度和低灵敏度是相对而言的，对具体数值并没有限制；在本实施例中，所述高灵敏度SQUID是指灵敏度小于20nT/Ф₀的SQUID，如灵敏度为5nT/Ф₀的SQUID；所述低灵敏度SQUID是指灵敏度大于20nT/Ф₀的SQUID，只要保证其在地球磁场中能够正常工作即可，如灵敏度为100nT/Ф₀的SQUID。

作为示例，如图6所示，所述高灵敏度SQUID读出单元231包括：

高灵敏度SQUID磁通锁定环2311，电连接于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222中一高灵敏度SQUID，用于对所述高灵敏度SQUID进行复位及工作点锁定，并在所述高灵敏度SQUID处于工作点锁定状态时，读取所述高灵敏度SQUID测得的磁场分量值；

第一数据采集单元2312，电连接于所述高灵敏度SQUID磁通锁定环2311，用于采集所述高灵敏度SQUID磁通锁定环2311读取的磁场分量值；

阈值检测单元2313，电连接于所述第一数据采集单元2312，用于比较所述磁场分量值和所述预设阈值，并在所述磁场分量值大于所述预设阈值时产生一复位信号；

复位单元2314，电连接于所述阈值检测单元2313和所述高灵敏度SQUID磁通锁定环2311，用于根据所述复位信号控制所述高灵敏度SQUID磁通锁定环2311进行复位后再重新锁定工作点，从而实现控制所述高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点。

具体的，所述高灵敏度SQUID磁通锁定环2311包括：由运放OP1和电阻R_g1构成的前端放大器、偏置电压源V_b1、反馈线圈L₁、由运放OP2和电容C₁构成的积分器、电阻R₁及反馈电阻R_f1，其具体连接关系、其与高灵敏度SQUID(S_H)的连接关系及其与第一数据采集单元2312、阈值检测单元2313及复位单元2314的连接关系具体请参见图6。

具体的，所述阈值检测单元2313包括：比较器CMP1、比较器CMP2和或门or，其具体连接关系、其与高灵敏度SQUID磁通锁定环2311、第一数据采集单元2312及复位单元2314的连接关系具体请参见图6；其中所述预设阈值Vref1可根据实际需要进行设定，本实施例并不对其具体数值进行限制，即使在去除高灵敏度SQUID之间的串扰时，所述预设阈值的下降程度也是根据实际需要进行设定。需要注意的是，虽然本实施例是通过所述阈值检测单元2313产生所述复位信号的，但在其它实施例中，在磁场分量值大于预设阈值时也可利用测控组件24为复位单元2314提供复位信号。

具体的，所述复位单元2314包括一复位开关S₁，其与高灵敏度SQUID磁通锁定环2311及阈值检测单元2313的连接关系具体请参见图6。

具体的，如图6所示，所述高灵敏度SQUID读出单元231还包括：串扰去除单元2315，电连接于所述高灵敏度SQUID磁通锁定环2311中反馈电阻R_f1的后端，用于去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的串扰；其中所述串扰去除单元2315包括一电容。

作为示例，如图7所示，所述低灵敏度SQUID读出单元232包括：

低灵敏度SQUID磁通锁定环2321，电连接于所述低灵敏度三轴SQUID磁强计223中一低灵敏度SQUID，用于在所述高灵敏度SQUID处于死区时间时，读取所述低灵敏度SQUID测得的磁通量子跳跃数；

第二数据采集单元2322，电连接于所述低灵敏度SQUID磁通锁定环2321，用于采集所述低灵敏度SQUID磁通锁定环2321读取的磁通量子跳跃数。

具体的，如图7所示，所述低灵敏度SQUID磁通锁定环2321包括：由运放OP3和电阻R_g2构成的前端放大器、偏置电压源V_b2、反馈线圈L₂、由运放OP3和电容C₂构成的积分器、电阻R₂及反馈电阻R_f2，其具体连接关系、其与低灵敏度SQUID(S_L)的连接关系及其与第二数据采集单元2322的连接关系具体请参见图7。

具体的，在实际应用中，所述高灵敏度SQUID读出单元231和所述低灵敏度SQUID读出单元232可使用同一数据采集单元，即第一数据采集单元2312和第二数据采集单元2322为同一数据采集单元。

作为一示例，如图4所示，所述标定系统30包括：

参考三轴磁强计31，用于对地球磁场进行测量以获取地球磁场参考值；

驱动源32，电连接于所述参考三轴磁强计31，用于根据所述地球磁场参考值产生一驱动电流，之后逐步移除所述驱动电流；

三维亥姆赫兹线圈33，电连接于所述驱动源32，用于在所述驱动电流的控制下产生与所述地球磁场大小相等、方向相反的抵消磁场，之后通过逐步移除所述驱动电流实现逐步移除所述抵消磁场；

光泵34，设于所述测量系统20一侧且与所述测控组件电连接，用于作为总场测量参考源以提供参考磁场分量值；

姿态调整结构35，用于固定所述测量系统20，并通过对其进行定点旋转以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222的姿态调整。

实际应用中，所述标定系统30与所述测量系统20配合使用，以在所述测量系统20开始工作之前，对所述测量系统20中构成高灵敏度三轴SQUID磁强计的三个高灵敏度SQUID进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定。其中，在以光泵34作为总场测量参考源时，光泵34与所述测量系统20(特别是高灵敏度三轴SQUID磁强计222)之间的距离设定应避免彼此相互影响；而且在通过姿态调整结构35对所述测量系统20进行多角度定点旋转时，应保证高灵敏度三轴SQUID磁强计222的测点位置不发生改变。需要注意的是，所述姿态调整结构35为现有任一种可对所述测量系统20进行姿态调整的装置，本实施例并不对所述姿态调整结构35的具体结构进行限制。

作为另一示例，如图8所示，所述标定系统30包括：

标定源36，用于提供预设频率和幅值的交流驱动电流；

三维亥姆赫兹线圈或标准磁偶极子33，电连接于所述标定源36，用于在所述交流驱动电流的控制下产生一交变磁场；

姿态调整结构35，用于固定所述测量系统20，并通过对其进行定点旋转以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计222的姿态调整。

实际应用中，所述标定系统30与所述测量系统20配合使用，以在所述测量系统20开始工作之前，对所述测量系统20中构成高灵敏度三轴SQUID磁强计的三个高灵敏度SQUID进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定。其中，在通过姿态调整结构35对所述测量系统20进行多角度定点旋转时，应保证高灵敏度三轴SQUID磁强计222的测点位置不发生改变。需要注意的是，所述姿态调整结构35为现有任一种可对所述测量系统20进行姿态调整的装置，本实施例并不对所述姿态调整结构35的具体结构进行限制。

综上所述，本发明的一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法及装置，具有以下有益效果：本发明利用具有高灵敏度的超导量子干涉仪构成三轴磁传感器，并以此实现总场信息的高精度测量；同时本发明更利用两组分立的高精度三轴SQUID磁强计和低灵敏度三轴SQUID磁强计实现了无死区磁通量子计数，从而进一步提高了总场信息的测量精度。本发明利用参考三轴磁强计和三维亥姆赫兹线圈提供了一个近似地球磁场大小的抵消磁场，从而为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计提供了一个近似零磁场的标定环境，以减小高灵敏度SQUID的零点偏移，使其测量值尽量接近绝对测量值，从而解决了因高灵敏度SQUID是相对量测量而导致的初始零点偏移较大的问题。本发明通过先在交变磁场中对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度和灵敏度的标定，之后在恒定磁场中对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行零点偏移的标定，即先后在交变磁场和恒定磁场中分步对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定，从而有效降低了解算标定误差模型的计算量。本发明在标定过程中，利用光泵的相对变化量而非其绝对量，作为高灵敏度三轴SQUID磁强计合成总场的标定参考，在利用光泵高分辨率特性的同时，避免了其零点偏移和航向差引起的测量误差，提高了标定精度。本发明通过降低所述预设阈值、增加所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的空间距离及/或于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计对应读出电路的反馈电阻后端增加一电容，以降低所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在死区时间内的磁通变化，从而去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的串扰，提高总场信息的测量精度。此外，本发明所述方法及装置实现简单、操作简便，非常适合在超导航磁测量领域中应用。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (15)

1.一种基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，所述总场测量方法包括：

对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定；

于待测环境中对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行工作点锁定，之后通过所述高灵敏度三轴SQUID磁强计对所述待测环境中的磁场分量进行测量，并在磁场分量值大于预设阈值时，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；

同时利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID收集所述高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内所述高灵敏度SQUID测得的磁场分量值进行补偿，以获取准确磁场分量值；

基于所述准确磁场分量值进行总场合成，以获取所述待测环境中的总场。

2.根据权利要求1所述的基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移标定的方法包括：

基于参考三轴磁强计对地球磁场进行测量以获取地球磁场参考值，之后基于所述地球磁场参考值调节三维亥姆赫兹线圈的驱动信号，使所述三维亥姆赫兹线圈产生与所述地球磁场大小相等、方向相反的抵消磁场；

基于所述抵消磁场对所述地球磁场进行磁场抵消，并对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行工作点锁定，之后逐步移除所述抵消磁场；

以光泵作为总场测量参考源，并通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值和与其对应的参考磁场分量值；

基于多组标定磁场分量值、多组参考磁场分量值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值。

3.根据权利要求2所述的基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，逐步移除所述抵消磁场的方法包括：按照预设斜率线性减小施加于所述三维亥姆赫兹线圈上的所述驱动信号，从而使所述抵消磁场按预设斜率线性移除。

4.根据权利要求2所述的基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移最优标定值的方法包括：将多组标定磁场分量值和多组参考磁场分量值代入标定误差模型中，同时基于修正后的标定磁场分量值进行总场合成，并在总场标定参考模型取最小值时获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值；其中所述标定误差模型包括：

或

B为所述光泵输出的参考磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的非正交角度，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的灵敏度校正系数，O_x、O_y、O_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的零点偏移，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计输出的标定磁场分量值；

其中总场合成公式包括：

T_i为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点合成的总场，B_xi、B_yi、B_zi为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点输出的关于X轴、Y轴、Z轴修正后的标定磁场分量值；

其中总场标定参考模型包括：

H₀为均方误差，T_m为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第m个测量点合成的总场，GT_c为所述光泵在第i个测量点合成的总场与其在第m个测量点合成的总场的差值。

5.根据权利要求1所述的基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，对高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移标定的方法包括：

基于标定源提供预设频率和幅值的交变磁场，并通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值，同时忽略所述零点偏移的影响；

基于交变磁场下的多组标定磁场分量值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值；

于恒定磁场环境下，通过对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计所在测量系统进行多角度定点旋转，以获取不同姿态下的多组标定磁场分量值；

基于恒定磁场下的多组所述标定磁场分量值、所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值及标定误差模型，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移的最优标定值。

6.根据权利要求5所述的基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度最优标定值的方法包括：将交变磁场下的多组标定磁场分量值代入标定误差模型中，以直接获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值，其中所述标定误差模型忽略所述零点偏移的影响；此时所述标定误差模型包括：

或

B为所述标定源输出的参考磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的非正交角度，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的灵敏度校正系数，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在交变磁场下输出的标定磁场分量值。

7.根据权利要求5所述的基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移最优标定值的方法包括：将恒定磁场下的多组所述标定磁场分量值及所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度和灵敏度的最优标定值代入标定误差模型中，同时基于恒定磁场下修正后的所述标定磁场分量值进行总场合成，并在总场标定参考模型取最小值时获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于零点偏移的最优标定值；其中所述标定误差模型包括：

或

B为恒定磁场对应的磁场分量值，inv为逆矩阵，α、β、γ为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴非正交角度的最优标定值，K_x、K_y、K_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴灵敏度校正系数的最优标定值，O_x、O_y、O_z为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于X轴、Y轴、Z轴的零点偏移，B'为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在恒定磁场下输出的标定磁场分量值；

其中总场合成公式包括：

T_i为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点合成的总场，B_xi、B_yi、B_zi为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第i个测量点输出的关于X轴、Y轴、Z轴修正后的标定磁场分量值；

其中总场标定参考模型包括：

H₀为均方误差，T_m为所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在第m个测量点合成的总场，GT_c为恒定磁场在第i个测量点合成的总场与其在第m个测量点合成的总场的差值。

8.根据权利要求2至7任一项所述的基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，获取不同姿态下多组标定磁场分量值的方法包括：通过所述高灵敏度三轴SQUID磁强计获取标定磁场原始分量值，并在所述标定磁场原始分量值大于所述预设阈值时，对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；同时利用低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID收集所述高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数，并以此对死区时间内所述高灵敏度SQUID测得的标定磁场原始分量值进行补偿，以获取标定磁场分量值。

9.根据权利要求1所述的基于超导量子干涉仪的总场测量方法，其特征在于，所述总场测量方法还包括：去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间串扰的步骤；所述步骤包括：通过降低所述预设阈值、增加所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的空间距离及/或于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计对应读出电路的反馈电阻后端增加一电容，以降低所述高灵敏度三轴SQUID磁强计在死区时间内的磁通变化，从而去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的串扰。

10.一种基于超导量子干涉仪的总场测量装置，其特征在于，所述总场测量装置包括：测量系统及与所述测量系统配合使用的标定系统；其中所述测量系统包括：

低温容器杜瓦，内置低温液体，用于提供低温超导环境；

磁场分量测量组件，包括高灵敏度三轴SQUID磁强计和低灵敏度三轴SQUID磁强计，平行放置于所述低温容器杜瓦中，所述高灵敏度三轴SQUID磁强计用于对磁场分量进行测量，所述低灵敏度三轴SQUID磁强计用于收集所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中相应高灵敏度SQUID从复位到重新锁定工作点之间的死区时间内发生的磁通变化，以获取所述高灵敏度SQUID在死区时间内的磁通量子跳跃数；

多通道SQUID读出电路，包括高灵敏度SQUID读出单元和低灵敏度SQUID读出单元，所述高灵敏度SQUID读出单元电连接于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计，所述低灵敏度SQUID读出单元电连接于所述低灵敏度三轴SQUID磁强计，所述高灵敏度SQUID读出单元用于读取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中一高灵敏度SQUID输出的磁场分量值，并在所述磁场分量值大于预设阈值时产生复位信号，以控制所述高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点；所述低灵敏度三轴SQUID读出单元用于在所述高灵敏度SQUID处于死区时间时，读取所述低灵敏度三轴SQUID磁强计中相应的低灵敏度SQUID输出的磁通量子跳跃数；

测控组件，电连接于所述高灵敏度SQUID读出单元和所述低灵敏度SQUID读出单元，用于根据所述低灵敏度SQUID读出单元输出的磁通量子跳跃数对所述高灵敏度SQUID读出单元输出的磁场分量值进行补偿以获取准确磁场分量值，并基于所述准确磁场分量值进行总场合成以获取所述待测环境中的总场；

其中所述标定系统用于在所述测量系统工作之前，与所述测量系统配合使用以对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计进行非正交度、灵敏度和零点偏移的标定；此时所述测控组件还用于获取所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值，以在所述测量系统工作时，基于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计关于非正交度、灵敏度和零点偏移的最优标定值对所述高灵敏度SQUID读出单元输出的磁场分量值进行修正。

11.根据权利要求10所述的基于超导量子干涉仪的总场测量装置，其特征在于，所述标定系统包括：

参考三轴磁强计，用于对地球磁场进行测量以获取地球磁场参考值；

驱动源，电连接于所述参考三轴磁强计，用于根据所述地球磁场参考值产生一驱动电流，之后逐步移除所述驱动电流；

三维亥姆赫兹线圈，电连接于所述驱动源，用于在所述驱动电流的控制下产生与所述地球磁场大小相等、方向相反的抵消磁场，之后通过逐步移除所述驱动电流实现逐步移除所述抵消磁场；

光泵，设于所述测量系统一侧且与所述测控组件电连接，用于作为总场测量参考源以提供参考磁场分量值；

姿态调整结构，用于固定所述测量系统，并通过对其进行定点旋转以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计的姿态调整。

12.根据权利要求10所述的基于超导量子干涉仪的总场测量装置，其特征在于，所述标定系统包括：

标定源，用于提供预设频率和幅值的交流驱动电流；

三维亥姆赫兹线圈或标准磁偶极子，电连接于所述标定源，用于在所述交流驱动电流的控制下产生一交变磁场；

姿态调整结构，用于固定所述测量系统，并通过对其进行定点旋转以实现对所述高灵敏度三轴SQUID磁强计的姿态调整。

13.根据权利要求10所述的基于超导量子干涉仪的总场测量装置，其特征在于，所述高灵敏度SQUID读出单元包括：

高灵敏度SQUID磁通锁定环，电连接于所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中一高灵敏度SQUID，用于对所述高灵敏度SQUID进行复位及工作点锁定，并在所述高灵敏度SQUID处于工作点锁定状态时，读取所述高灵敏度SQUID测得的磁场分量值；

数据采集单元，电连接于所述高灵敏度SQUID磁通锁定环，用于采集所述高灵敏度SQUID磁通锁定环读取的磁场分量值；

阈值检测单元，电连接于所述数据采集单元，用于比较所述磁场分量值和所述预设阈值，并在所述磁场分量值大于所述预设阈值时产生一复位信号；

复位单元，电连接于所述阈值检测单元和所述高灵敏度SQUID磁通锁定环，用于根据所述复位信号控制所述高灵敏度SQUID磁通锁定环进行复位后再重新锁定工作点，从而实现控制所述高灵敏度SQUID进行复位后再重新锁定工作点。

14.根据权利要求13所述的基于超导量子干涉仪的总场测量装置，其特征在于，所述高灵敏度SQUID读出单元还包括：串扰去除单元，电连接于所述高灵敏度SQUID磁通锁定环中反馈电阻的后端，用于去除所述高灵敏度三轴SQUID磁强计中三个高灵敏度SQUID之间的串扰；其中所述串扰去除单元包括一电容。

15.根据权利要求10所述的基于超导量子干涉仪的总场测量装置，其特征在于，所述低灵敏度SQUID读出单元包括：

低灵敏度SQUID磁通锁定环，电连接于所述低灵敏度三轴SQUID磁强计中一低灵敏度SQUID，用于在所述高灵敏度SQUID处于死区时间时，读取所述低灵敏度SQUID测得的磁通量子跳跃数；

数据采集单元，电连接于所述低灵敏度SQUID磁通锁定环，用于采集所述低灵敏度SQUID磁通锁定环读取的磁通量子跳跃数。