RU2071097C1 - Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer - Google Patents

Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer Download PDF

Info

Publication number
RU2071097C1
RU2071097C1 RU93041674A RU93041674A RU2071097C1 RU 2071097 C1 RU2071097 C1 RU 2071097C1 RU 93041674 A RU93041674 A RU 93041674A RU 93041674 A RU93041674 A RU 93041674A RU 2071097 C1 RU2071097 C1 RU 2071097C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
values
induction
measured
quantum
value
Prior art date
Application number
RU93041674A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93041674A (en
Inventor
А.Э. Вацуро
Н.Б. Клепер
В.П. Пак
В.Ю. Яцкаер
Original Assignee
ВНИИ разведочной геофизики "Рудгеофизика"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ВНИИ разведочной геофизики "Рудгеофизика" filed Critical ВНИИ разведочной геофизики "Рудгеофизика"
Priority to RU93041674A priority Critical patent/RU2071097C1/en
Publication of RU93041674A publication Critical patent/RU93041674A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2071097C1 publication Critical patent/RU2071097C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measuring Magnetic Variables (AREA)

Abstract

FIELD: measurement of magnetic induction. SUBSTANCE: measurements of magnetic induction are conducted in number of point of measured fields range and values of systematic error are compared as function of measured field $$$ which is approximated by sections of straight lines so that approximating straight lines are away from function by not greater than specified systematic error. Values of magnetic induction $$$ in crossing points of straight lines and values of systematic error $$$ corresponding to them are entered into storage. In each cycle subrange where measured value of induction B is lying is found so that $$$. Values $$$ corresponding to points of crossing of approximating straight lines nearest to measured value are extracted from storage and corrected value $$$ is computed by formula $$$. EFFECT: increased reliability of measurements. 2 dwg

Description

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. The invention relates to the field of magnetic measurements using quantum magnetometers and can be used for absolute measurements of the geomagnetic field in ground, aerial and other magnetic surveys.

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. Known quantum magnetometers based on the Zeeman effect in vapors of alkali metals and inert gases using the principle of optical pumping (for example, pedestrian magnetometers MM-ZZ, MM-ZZM, MMP-304, MM-60 and KAM-28 aeromagnetometers, which are commercially available for geophysical measurements , MM-305) (Handbook of the operator-magnetic prospector / Edited by V.E. Nikitsky. M. Nedra, 1987, p. 176), in which the procession frequency is converted into a digital magnetic induction code. Of all magnetometers used in geophysics, quantum ones have the highest sensitivity (up to 0.01 nT), which determines their widespread use in prospecting and exploration of minerals.

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 (ΔT магнитометры). A common drawback of quantum magnetometers is the relatively large systematic error (from 20 to 40 nT). The main sources of this error are the nonlinear dependence of the frequency of the procession on the external field and the phase-frequency characteristic of the measuring-conversion path, which is unstable for various devices of even one series. This circumstance limits the application of quantum magnetometers to the field of field increment measurements (ΔT magnetometers).

Способ измерения магнитной индукции, используемый в аэромагнитометре ММ-305 (авт. св. N 600727 Преобразователь частоты сигнала в цифровой код) принят за прототип. The method of measuring magnetic induction used in the MM-305 aeromagnetometer (ed. St. N 600727 Signal frequency to digital code converter) is adopted as a prototype.

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. The specified method does not allow the use of quantum magnetometers for absolute measurements. In addition, the construction of, for example, differential magnetometers and gradiometers based on quantum sensors does not allow anomalies to be judged quickly (on board carriers) during the survey due to various systematic errors depending on the values of the measured induction.

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. The objective of the invention is the provision of the possibility of using quantum magnetometers as an absolute measuring tool. This will increase the accuracy and sensitivity of absolute measurements of the magnetic field. In addition, a decrease in the systematic error to the level of units or fractions of a nanotesla will make it possible to create gradiometric systems with the possibility of estimating real anomalies during the survey.

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: ΔB=f(Bx). Полученную функцию аппроксимируют отрезками прямых так, чтобы отстояние аппроксимирующих прямых от кривой ΔB=f(Bx) по оси ординат не превышало заданной систематической погрешности: записывают в память вычислительного устройства значения магнитной индукции Вn в точках пересечения аппроксимирующих прямых и соответствующие им значения систематической погрешности ΔBn.. Число аппроксимирующих прямых и соответственно число поддиапазонов могут быть различными и зависят от формы функции ΔB и величины заданной систематической погрешности, которые определяют степень приближения функции линейными участками.The problem is solved as follows. In the measure of magnetic induction, measurements are made by quantum and exemplary (absolute) magnetometers at a number of points in the range of the measured fields. The values of the systematic error are calculated as a function of the measured field: ΔB = f (B x ). The obtained function is approximated by line segments so that the distance of the approximating lines from the curve ΔB = f (B x ) along the ordinate axis does not exceed a predetermined systematic error: the values of magnetic induction B n are recorded in the memory of the computing device at the intersection points of the approximating lines and the corresponding values of the systematic error ΔB n .. The number of approximating straight lines and, accordingly, the number of subranges can be different and depend on the form of the function ΔB and the value of the given systematic error, to which determine the degree of approximation of the function by linear sections.

В процессе измерения в каждом цикле определяют поддиапазон, в котором лежит измеренное значение индукции Вx так, что Bn-1≅Bx<Bn. Извлекают из памяти значения, соответствующие ближайшим к измеренному значению точкам пересечения аппроксимирующих прямых.In the measurement process, in each cycle, determine the subrange in which the measured value of the induction B x lies so that B n-1 ≅ B x <B n . The values corresponding to the intersection points of the approximating lines closest to the measured value are retrieved from the memory.

Вычисляют исправленное значение магнитной индукции

Figure 00000004
.The corrected magnetic induction value is calculated.
Figure 00000004
.

Figure 00000005

где Bn-1 и Bn значения индукции, соответствующие границам поддиапазона, в который попадает измеренное значение индукции.
Figure 00000005

where B n-1 and B n are the induction values corresponding to the boundaries of the subrange into which the measured induction value falls.

ΔBn-1 и ΔBn значения систематических погрешностей квантового магнитометра, соответствующие границам поддиапазона.ΔB n-1 and ΔB n are the values of the systematic errors of the quantum magnetometer corresponding to the boundaries of the subband.

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. Thus, the corrected value of magnetic induction turns out to be arbitrarily close to absolute at any point in the measurement range, and a quantum magnetometer can be used to perform absolute measurements with high accuracy in real time.

На фиг. 1 представлены зависимость систематической погрешности от измеряемого поля и аппроксимирующие ее отрезки прямых, поясняющие предлагаемый способ измерения магнитного поля. In FIG. Figure 1 shows the dependence of the systematic error on the measured field and approximating line segments approximating the proposed method for measuring the magnetic field.

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. In FIG. Figure 2 shows the same dependences in the range from 20 to 100 μT, constructed from the results of measurements with the MM-60 pedestrian quantum magnetometer and the MDL absolute exemplary magnetometer in the measure of magnetic induction of the first discharge.

Для осуществления способа необходимо произвести следующие операции:
1) Преобразовать частоту процессии квантового датчика в цифровой код магнитной индукции.
To implement the method, it is necessary to perform the following operations:
1) Convert the procession frequency of the quantum sensor into a digital magnetic induction code.

2) В мере магнитной индукции произвести измерения квантовым и образцовым (абсолютным) магнитометрами. 2) To measure magnetic induction, take measurements with quantum and exemplary (absolute) magnetometers.

3) Вычислить значения систематической погрешности как функции измеряемого поля. 3) Calculate the values of the systematic error as a function of the measured field.

4) Полученную функцию аппроксимировать отрезками прямых в зависимости от заданной систематической погрешности. 4) To approximate the obtained function by line segments depending on a given systematic error.

5) Запомнить значения магнитной индукции Bn в точках пересечения аппроксимирующих прямых и соответствующие им значения систематической погрешности ΔBn..5) Remember the values of the magnetic induction B n at the intersection points of the approximating straight lines and the corresponding values of the systematic error ΔB n ..

6) В каждом цикле измерений определить поддиапазон, в котором лежит измеренное значение индукции Вx так, что Вn-1≅Вxn.6) In each measurement cycle, determine the subrange in which the measured induction value B x lies so that B n-1 ≅ B x <B n .

7) Извлечь из памяти значения, соответствующие ближайшим к измеренному значению точкам пересечения аппроксимирующих прямых Bn-1, Bn, ΔBn-1, ΔBn..7) Retrieve from the memory the values corresponding to the intersection points of the approximating straight lines B n-1 , B n , ΔB n-1 , ΔB n ..

8) Вычислить исправленное значение индукции

Figure 00000006
по формуле:
Figure 00000007

Кривая зависимости систематической погрешности от измеряемой величины, представленная на фиг. 1, исходя из заданной величины погрешности, аппроксимирована пятью прямыми 1 5, пересекающимися в точках
Figure 00000008
. 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, ΔB4, ΔB5 и вычисляют исправленное значение
Figure 00000009
по формуле:
Figure 00000010

На фиг. 2 представлена реальная кривая ΔB=f(Bx) для переходного квантового магнитометра ММ-60. Величина систематической погрешности в диапазоне измеряемых полей составила от 1,2 до 11,5 нТл. Кривая В f(Bx) аппроксимирована тремя прямыми, исходя из заданной систематической погрешности ΔBмакс ≅ 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:
Figure 00000011
что совпадает с контрольным измерением абсолютным магнитометром нТл с точностью 0,3 нТл.8) Calculate the corrected induction value
Figure 00000006
according to the formula:
Figure 00000007

The curve of systematic error as a function of the measured quantity shown in FIG. 1, based on a given error value, is approximated by five straight lines 1 5, intersecting at points
Figure 00000008
. In this case, the entire range is divided into 5 unequal subbands. The points on the abscissa axis B 1 and B 6 are the boundaries of the range of measured fields, respectively, 20 and 100 thousand nT. The coordinate values of these six points are stored. Let, for example, the measured value of magnetic induction correspond to 75 thousand nT. Determine that the value lies within the range of B 4 75,000 B 5 . The values B 4 , B 5 , ΔB 4 , ΔB 5 are retrieved from the memory and the corrected value is calculated
Figure 00000009
according to the formula:
Figure 00000010

In FIG. Figure 2 shows the real curve ΔB = f (B x ) for the transition quantum magnetometer MM-60. The value of the systematic error in the range of measured fields ranged from 1.2 to 11.5 nT. Curve B f (B x ) is approximated by three straight lines, based on a given systematic error ΔB max ≅ 0.5 nT. In FIG. 2 is the value of the distance of the curve from the approximating line along the ordinate axis at the point of 80 thousand nT. For this sample, it is necessary to remember the error values at the intersection points of the approximating straight lines (20000: 1), (56000: 2.7), (91000: 8.6), (100000: 11.5). So, for the value of the magnetic induction measured by the MM-60 magnetometer 75000 nT, the corrected value will be equal to:
Figure 00000011
which coincides with the control measurement with an absolute nTl magnetometer with an accuracy of 0.3 nT.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность измерений квантовым магнитометра и применять его в качестве абсолютного магнитометра. Thus, the proposed method allows to increase the accuracy of the measurements of a quantum magnetometer and use it as an absolute magnetometer.

Claims (1)

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 ΔB=f(Bx), которую аппроксимируют отрезками прямых так, чтобы отстояние аппроксимирующих прямых от кривой ΔB=f(Bx) по оси ординат не превышало заданной систематической погрешности, запоминают значения магнитной индукции в точках пересечения аппроксимирующих прямых Bn и соответствующие им разности показаний квантового и образцового магнитометров, в каждом цикле измерений определяют поддиапазон, в котором лежит измеренное значение индукции Вх так, что Bn - 1≅Bx<Bn, извлекают из памяти значения, соответствующий ближайшим к измеренному значению точкам пересечения аппроксимирующих прямых Bn -1,Bn, ΔBn-1, ΔBn и вычисляют исправленное значение магнитной индукции Bx испр. по формуле
Figure 00000012

где Bn-1 и Bn значения индукции, соответствующие границам поддиапазона, в который попадает измеренное значение индукции;
ΔBn-1 и ΔBn значения разности показаний квантового и образцового магнитометров, соответствующие границам поддиапазона.
A method of measuring a magnetic field with a quantum magnetometer, based on the conversion of the procession frequency to a digital code, characterized in that the measurements are made with magnetic and quantum (absolute) magnetometers in the range of the measured fields with magnetic induction, and the values of the difference in their readings are calculated as a function of the measured field ΔB = f (B x), which is approximated by straight line segments so that the lag of the curve approximating straight ΔB = f (B x) on the y axis does not exceed the predetermined systematic error values are stored agnitnoy induction at the points of intersection approximating straight lines B n and the corresponding difference between the readings and exemplary quantum magnetometers, each measurement cycle is determined subband in which lies the measured induction value x such that B n - 1 ≅B x <B n, recovered from memory values corresponding to the points of intersection of the approximating straight lines B n - 1 , B n , ΔB n-1 , ΔB n closest to the measured value and the corrected magnetic induction value B x isp. according to the formula
Figure 00000012

where B n - 1 and B n are the values of induction corresponding to the boundaries of the subrange into which the measured value of induction falls;
ΔB n-1 and ΔB n are the values of the difference between the readings of the quantum and reference magnetometers corresponding to the boundaries of the subband.
RU93041674A 1993-08-19 1993-08-19 Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer RU2071097C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93041674A RU2071097C1 (en) 1993-08-19 1993-08-19 Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93041674A RU2071097C1 (en) 1993-08-19 1993-08-19 Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU93041674A RU93041674A (en) 1996-05-27
RU2071097C1 true RU2071097C1 (en) 1996-12-27

Family

ID=20146729

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93041674A RU2071097C1 (en) 1993-08-19 1993-08-19 Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2071097C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2751147C1 (en) * 2020-11-27 2021-07-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" Optical method for magnetic field measurement

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
1. Справочник оператора-магниторазведчика./ Под ред. В.Е.Никитского. - М.: Недра, 1987, с. 176. 2. Авторское свидетельство СССР N 600727, кл. H 03 K 13/20, 1978. *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2751147C1 (en) * 2020-11-27 2021-07-08 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Оренбургский государственный университет" Optical method for magnetic field measurement

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3967190A (en) Method using induced polarization for ore discrimination in disseminated earth deposits
Wynn et al. Advanced superconducting gradiometer/magnetometer arrays and a novel signal processing technique
US4845434A (en) Magnetometer circuitry for use in bore hole detection of AC magnetic fields
CA2010398C (en) Method to improve directional survey accuracy
US8229688B2 (en) Method and apparatus for detection using magnetic gradient tensor
Ernst Measurement and control of magnetic field homogeneity
Meiser A method for quantitative interpretation of selfpotential measurements
US4918824A (en) Electronic digital compass
US6724192B1 (en) Method and apparatus for exploration using GMR sensors
US4293815A (en) Fluxgate magnetometer circuit with earth&#39;s field elimination
US4227405A (en) Digital mineral logging system
Sapunov et al. Ground overhauser DNP geophysical devices
US6833706B2 (en) Hole displacement measuring system and method using a magnetic field
CN104516991A (en) Gamma sensor full-temperature range compensation method
RU2071097C1 (en) Process for measuring magnetic field by quantum magnetometer
Macnae Survey design for multicomponent electromagnetic systems
Tombs The feasibility of making spectral IP measurements in the time domain
Georgievich et al. Multielement triaxial fluxgate gradiometer with variable base
US5500597A (en) Multiple transmit frequency induction logging system with closed loop conversion circuitry for phase and gain variation elimination
US5075625A (en) Procedure and device for the detection of inversions of the earth&#39;s magnetic field by means of measurement taken in a drill shaft
Milovzorov et al. Gradiometric systems based on three-component variable-baseline magnetometer
RU2620326C1 (en) Device for contactless diagnostics of the underground pipelines technical condition with the possibility of calibration in the field conditions
Phillips Potential-field continuation: past practice vs. modern methods
SU859614A1 (en) Method of measuring seam incline angle in borehole
Kass et al. A towed magnetic gradiometer array for rapid, detailed imaging of utility, geological, and archaeological targets