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量子自旋调控的微位移检测系统设计与测量

计量学报 2024年第4期45卷 465-470页

作者：李中豪刘雨奇张浩刘鑫张家璇中北大学仪器与电子学院山西太原030051

以氮空位(NV)色心磁强计为基础,量子自旋调控为技术手段,结合空间梯度磁场的均匀变化,实现基于固态量子自旋的高精度微位移检测。首先,通过永磁体构建均匀变化的梯度磁场,并获得梯度磁场与位移的关联关系;其次,搭建量子自旋调控系统,并... 详细信息

以氮空位(NV)色心磁强计为基础,量子自旋调控为技术手段,结合空间梯度磁场的均匀变化,实现基于固态量子自旋的高精度微位移检测。首先,通过永磁体构建均匀变化的梯度磁场,并获得梯度磁场与位移的关联关系;其次,搭建量子自旋调控系统,并通过光探测磁共振(ODMR)确定自旋共振频点,利用拉比振荡(Rabi)确定量子调控翻转周期,完成拉姆齐(Ramsey)序列参数的测定;最后,基于Ramsey磁场测量原理,完成Ramsey所对应的荧光强度与磁场梯度变化的测试,进而实现微位移的高分辨测量,位移的最小可分辨力约为104 nm。

关键词：几何量计量微位移固态量子自旋氮空位色心磁强计拉姆齐

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深空探测中磁强计在轨标定研究进展

地球与行星物理论评（中英文） 2024年第5期55卷 563-582页

作者：王国强哈尔滨工业大学(深圳)空间科学与应用技术研究院深圳518055

磁场测量是深空探测的重要任务之一,高精度的磁场测量对研究行星宜居性、空间等离子体环境等具有重要意义.磁通门磁强计是空间探测任务中最广泛使用的仪器之一.然而其磁补偿会随时间缓慢变化,因此,在卫星飞行期间需要定期对磁强计的磁... 详细信息

磁场测量是深空探测的重要任务之一,高精度的磁场测量对研究行星宜居性、空间等离子体环境等具有重要意义.磁通门磁强计是空间探测任务中最广泛使用的仪器之一.然而其磁补偿会随时间缓慢变化,因此,在卫星飞行期间需要定期对磁强计的磁补偿实施在轨标定.本文综述了基于空间物理现象对星载磁强计实施在轨标定的方法.根据计算磁补偿的方式,这些方法可分为两类.第一类方法通过公式计算磁补偿,如基于阿尔芬波动特征的Belcher方法、Hedgecock方法和Davis-Smith方法,以及一维和三维磁镜模方法;这类方法中,Davis-Smith方法被认为是计算磁补偿的最优方法.第二类方法通过概率获取磁补偿的最优解,该类方法被称为新一代在轨标定技术,目前已发展出六种算法;该技术可使用阿尔芬波动、磁镜结构和电流片中的一种或多种现象来实施在轨标定,另外,该技术也可以使用足够数据量(如4小时)的任意行星际磁场数据来计算磁补偿.与Davis-Smith方法相比,新一代在轨标定技术具有很好的兼容性(可同时使用不同的物理现象)和拓展性.除了太阳风,该技术还能在火星磁鞘中实施在轨标定.目前,该技术已为“天问一号”环绕器的磁场数据提供标定服务.

关键词：深空探测磁强计磁补偿在轨标定行星际磁场阿尔芬波磁镜结构电流片

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基于磁场探测的直流电流测量方法研究

仪表技术与传感器 2024年第4期 122-126页

作者：崔丽君王国强哈尔滨工业大学(深圳) 空间科学与应用技术研究院

通过测量磁场可间接测量电路的电流强度;为减小环境磁场对电流强度测量的干扰,基于磁通门磁强计提出了一种利用双探头测量减弱环境磁场影响的测量方案。按特定姿态把两个磁通门探头安装在合适的位置上,通过实验测试发现:2个探头磁感应... 详细信息

通过测量磁场可间接测量电路的电流强度;为减小环境磁场对电流强度测量的干扰,基于磁通门磁强计提出了一种利用双探头测量减弱环境磁场影响的测量方案。按特定姿态把两个磁通门探头安装在合适的位置上,通过实验测试发现:2个探头磁感应强度的差值与待测电流强度呈现出很好的线性关系,通过该线性关系可由2个探头的磁场测量结果计算出待测电流强度。测试表明,该测量方案可有效消除环境磁场对电流强度测量的干扰,进一步提高电流测量精度。

关键词：直流电流表磁强计磁场螺线管

IMU位姿测量中MEMS陀螺在线多参数标定方法研究

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机电工程技术 2024年

作者：秦伟徐斌陈友广东嘉腾机器人自动化有限公司

IMU作为AGV导航部件应用时存在位姿误差累积。采用高精度磁强计信息对MEMS陀螺误差参数进行在线标定，以减小长航时运动任务时的导航定位误差。通过推导磁强计的测量模型及IMU的姿态测量关系，将磁航向角与姿态偏航角两个参数值对比，... 详细信息

IMU作为AGV导航部件应用时存在位姿误差累积。采用高精度磁强计信息对MEMS陀螺误差参数进行在线标定，以减小长航时运动任务时的导航定位误差。通过推导磁强计的测量模型及IMU的姿态测量关系，将磁航向角与姿态偏航角两个参数值对比，以磁强计信息作为稳定参考量，估计MEMS陀螺的误差参数。估计算法采用非线性的UKF，建立了MEMS陀螺误差模型，确定12维参数作为估计对象，包括零漂、刻度因子、安装失准角等，作为系统状态向量，采用磁强计测量参数模型建立量测方程，实现多参数的在线最优估计，将标定后的参数进行位姿测量可提高导航精度。用该方法标定后的陀螺进行姿态解算进行实验，实验结果表明：对比较标定前数据，标定后的静态姿态精度（1σ）提高约47%；动态精度小于2度，提高约25%。相对于离线标定，此方法不需要频繁拆卸，快速、实时的进行误差校准，可以减少长航时在线标定的误差积累。

关键词： AGV MEMS陀螺在线标定误差模型磁强计 UKF

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神经网络校准的磁强计与卫星组合测姿方法

电子测量技术 2022年第23期45卷 13-18页

作者：闫小龙于天朋郑娜娜王志刚兰开颜中北大学太原030051 淮海工业集团长治046000 陆军装备部驻北京地区长治军事代表局长治046000

弹药的滚转姿态准确测量是精确制导的前提,在常见的卫星导航与磁强计组合测姿方案中,弹药的大范围机动会带来较大的测角误差。为了解决上述问题,提出一种基于BP神经网络校准的磁强计与卫星导航组合测姿方案,针对同一弹型利用控制指令、... 详细信息

弹药的滚转姿态准确测量是精确制导的前提,在常见的卫星导航与磁强计组合测姿方案中,弹药的大范围机动会带来较大的测角误差。为了解决上述问题,提出一种基于BP神经网络校准的磁强计与卫星导航组合测姿方案,针对同一弹型利用控制指令、弹道速度、历史姿态角等参数对弹体的侧滑角信息进行实时估计,为卫星导航系统解算的弹体偏角进行在线校准,最终经过融合磁强计测量信息对弹体滚转姿态进行测量,并通过拟合滤波方案为弹道的实时控制提供准确的滚转姿态估计。数值仿真验证结果表明,对于同一型弹药系统而言利用经过训练的BP神经网络估计出弹体的侧滑角信息误差在满量程的5%以内,结合卫星定位导航系统与磁强计经过拟合滤波得到的滚转姿态角精度在±1°以内,较大的提高了弹药在机动过程中的滚转角测量精度。

关键词：弹体滚转姿态神经网络卫星定位导航系统磁强计

基于光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计的电路诊断方法

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航天器环境工程 2022年第1期39卷 100-104页

作者：高扬徐超群黄魁高羽婷刘超波王斌武南开刘明君张超肖琦孟立飞易忠北京卫星环境工程研究所中国空间技术研究院北京100094

为考查应用新型磁强计——金刚石氮空穴(nitrogen-vacancy,NV)色心系综磁强计进行电路诊断的可行性和可靠性,从金刚石NV色心系综磁强计的基本原理出发,搭建了一套光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计测试实验系统,将探头紧贴于电路导线外壳... 详细信息

为考查应用新型磁强计——金刚石氮空穴(nitrogen-vacancy,NV)色心系综磁强计进行电路诊断的可行性和可靠性,从金刚石NV色心系综磁强计的基本原理出发,搭建了一套光纤耦合金刚石NV色心系综磁强计测试实验系统,将探头紧贴于电路导线外壳,通过测量磁强计处磁场信号的变化实现对电路的诊断。实验结果表明,金刚石NV色心系综磁强计对电路异常引起的磁场变化响应明显,对电流的分辨率优于50 mA;当探头和导线距离发生变化时,观测信号曲线呈现明显的台阶,空间分辨率优于0.4 mm。本系统采用更加简洁的方案实现了10μT量级磁场分辨率的性能指标,能够诊断出电路的电流变化并进行精确定位,可广泛应用电路无损检测及可靠性评估。

关键词：磁强计 NV色心光纤耦合电路诊断

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金刚石氮空位色心自旋传感技术

仪器仪表学报 2023年第9期44卷 53-67页

作者：秦岳王志斌郭浩唐军刘俊中北大学仪器与电子学院太原030051

金刚石氮空位(NV)色心具有优异的室温量子特性、长相干时间、兼容微纳加工等优势,成为芯片化高精度传感器技术领域发展的新方向。基于金刚石NV色心量子效应的磁、电、温、角速度等多种物理量传感灵敏度已逐渐突破现有传感测量技术极限,... 详细信息

金刚石氮空位(NV)色心具有优异的室温量子特性、长相干时间、兼容微纳加工等优势,成为芯片化高精度传感器技术领域发展的新方向。基于金刚石NV色心量子效应的磁、电、温、角速度等多种物理量传感灵敏度已逐渐突破现有传感测量技术极限,在航空航天、深空探测、生命科学等学科领域应用越来越深入。本综述主要介绍金刚石NV色心量子传感机理、不同物理量传感器研究进展及未来发展趋势。

关键词： NV色心量子传感磁强计温度计电场计陀螺仪

基于磁-惯性黏菌算法的随钻地磁误差在线补偿

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煤田地质与勘探 2023年第11期51卷 169-178页

作者：杨金显蔡纪鹏河南理工大学电气工程与自动化学院河南焦作454003 河南省煤矿装备智能检测与控制重点实验室河南焦作454003

针对随钻测量环境中,捷联在钻具上的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)磁强计测量误差大引起钻具方位角严重失真的问题,提出基于磁-惯性黏菌算法(Magnetic Inertial Slime Mould Algorithm,MISMA)的随钻地磁误差在线补... 详细信息

针对随钻测量环境中,捷联在钻具上的微机电系统(Micro-Electro-Mechanical-System,MEMS)磁强计测量误差大引起钻具方位角严重失真的问题,提出基于磁-惯性黏菌算法(Magnetic Inertial Slime Mould Algorithm,MISMA)的随钻地磁误差在线补偿方法。首先,通过对磁强计输出误差进行分析,建立钻具地磁测量误差补偿模型,并把磁强计误差参数整理为解向量。然后,根据随钻环境下磁-惯性传感器的输出特性,在黏菌算法的基础上,给出理想磁输出数据的目标函数、钻具径切向皮尔逊不等式和磁场模值约束条件,根据陀螺仪数据解耦的地磁数据重新定义上下界,并把目标函数看作为适应度函数,对当前误差参数解向量的适应度值和最佳适应度值分别作差的绝对值与绝对值之和的比值来设计自适应参数控制算法的有界全局搜索范围,以提高MISMA搜索能力和收敛速度,通过设计磁模比来自适应调整随机步长,解决黏菌算法(Slime Mould Algorithm,SMA)易陷入局部最优的问题,通过计算当前地磁误差参数解向量和最优解向量对应的适应度值,先作归一化处理再作差,同时结合自适应参数值得到地磁误差参数解的深入开发阈值,进一步提高地磁误差参数向量解的质量。最后,对磁强计进行误差补偿,达到提高钻具方位角精度的目的。模拟实验和实钻实验表明,MISMA和SMA相比,在相同迭代次数下适应度值更小,且下降的速度更快,收敛速度提高了37.99%,钻具方位角绝对误差的平均值可保持在2.37°以内。研究可提高煤矿井下捷联在钻具上的MEMS磁强计测量精度,是获得可靠钻具方位角的有效方法。

关键词：微机电系统磁强计黏菌算法磁模比误差补偿方位角随钻测量

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MPOS联邦实时组合算法

系统工程与电子技术 2023年第9期45卷 2860-2865页

作者：李建利魏梦笛王其朋张武北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191

微小型位置姿态测量系统(micro position and orientation system,MPOS)是为成像载荷提供实时高精度运动补偿信息的关键装置,其测量精度严重制约成像精度的提升。针对MPOS集中滤波实时性差的问题,在基于双ARM(advanced reduced instruct... 详细信息

微小型位置姿态测量系统(micro position and orientation system,MPOS)是为成像载荷提供实时高精度运动补偿信息的关键装置,其测量精度严重制约成像精度的提升。针对MPOS集中滤波实时性差的问题,在基于双ARM(advanced reduced instruction set computing machines)硬件平台的基础上,采用联邦滤波实时组合算法对多组传感器数据进行最优信息融合。以微惯性测量单元为公共参考系统,双天线全球导航卫星系统(global navigation satellite system,GNSS)和磁强计作为子系统提供量测信息,将各个子系统得到的局部误差协方差及状态估计值在主滤波器中进行信息融合得到最优估计值。通过动态实验验证了基于联邦滤波实时组合方法的MPOS,其位置、速度、航向角及水平姿态角精度可达0.6 m,0.03 m/s,0.15°,0.04°。

关键词：微小型位置姿态测量系统联邦滤波实时组合全球导航卫星系统磁强计