GMI磁傳感器及磁異信號(hào)檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、與目前常用的基于磁通門(mén)（Fluxgate）、霍爾效應(yīng)（Hall）和磁電阻效應(yīng)等的磁傳感器相比較，基于巨磁阻抗效應(yīng)（Giant Magneto-Impedance，簡(jiǎn)稱(chēng)GMI）的GMI磁傳感器還具有靈敏度高、體積小、響應(yīng)速度快、磁滯小以及功耗低等優(yōu)點(diǎn)，在微弱磁場(chǎng)測(cè)量等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。與此同時(shí)，以地球磁場(chǎng)為背景的磁異檢測(cè)（Magnetic Anomaly Detection，簡(jiǎn)稱(chēng)MAD）技術(shù)，具有無(wú)源被動(dòng)檢測(cè)、隱蔽性能好以及抗干擾能

2、力強(qiáng)等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于資源勘探、交通運(yùn)輸和軍事目標(biāo)探測(cè)與跟蹤等領(lǐng)域。因此，開(kāi)展GMI磁傳感器及磁異信號(hào)檢測(cè)技術(shù)方面的研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。本文圍繞著GMI磁傳感器的設(shè)計(jì)以及鐵磁性目標(biāo)所引起的磁異信號(hào)的檢測(cè)問(wèn)題等內(nèi)容展開(kāi)深入的研究，其主要包括：
　?。?）簡(jiǎn)要介紹了 GMI效應(yīng)及其與驅(qū)動(dòng)電流頻率之間的關(guān)系等內(nèi)容，研究了所選用非晶絲材料的頻率特性，并據(jù)此選取了敏感探頭的驅(qū)動(dòng)電流頻率和線(xiàn)性工作區(qū)間；同時(shí)，利用直流線(xiàn)圈提

3、供偏置磁場(chǎng)的方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)差分式結(jié)構(gòu)的敏感探頭，提出了利用具有強(qiáng)噪聲抑制能力的正交鎖定差分電路代替峰值檢測(cè)電路作為GMI磁探頭的信號(hào)調(diào)理電路，并詳細(xì)分析了該信號(hào)調(diào)理電路的工作原理以及該 GMI磁傳感器的各項(xiàng)性能；另外，根據(jù)第二代電流傳輸器（second generation Current Conveyor，簡(jiǎn)稱(chēng)CCII）和跨導(dǎo)運(yùn)算放大器（Operational Trans-conductance Amplifier，簡(jiǎn)稱(chēng)OTA）等有

4、源模塊的工作原理，利用現(xiàn)有商業(yè)芯片AD844，提出了一個(gè)振蕩條件和諧振頻率獨(dú)立可調(diào)節(jié)的雙輸出正交正弦振蕩器，并詳細(xì)介紹了該振蕩器的工作原理以及進(jìn)行了非理想條件分析。
　?。?）建立了磁異檢測(cè)的數(shù)學(xué)模型，詳細(xì)推導(dǎo)了基于三個(gè)正交基函數(shù)的磁異信號(hào)的表達(dá)式，并針對(duì)目標(biāo)信號(hào)的特征時(shí)間已知的條件下，根據(jù)正交匹配濾波器組理論，提出并詳細(xì)闡述了適用于白噪聲情形下的基于正交基函數(shù)匹配濾波器組的磁異檢測(cè)系統(tǒng)，并以此為基礎(chǔ)，構(gòu)建并詳盡分析了可應(yīng)用于有色

5、噪聲情形下的基于LMS自適應(yīng)AR模型的白化濾波器和正交基函數(shù)匹配濾波器組相結(jié)合的磁異檢測(cè)系統(tǒng)。同時(shí)，針對(duì)1/f分形噪聲為外界磁場(chǎng)環(huán)境和電路等噪聲的主要來(lái)源之一的情形，通過(guò)利用仿真驗(yàn)證的方式，詳細(xì)分析了文中所設(shè)計(jì)的自適應(yīng)白化濾波器的預(yù)白化效果和磁異檢測(cè)系統(tǒng)的性能，同時(shí)利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證了該檢測(cè)系統(tǒng)的可行性和優(yōu)越性。
　　（3）以自回歸-滑動(dòng)平均ARMA模型理論為基礎(chǔ)，簡(jiǎn)要介紹了可應(yīng)用于不平穩(wěn)時(shí)間序列情形下的求和自回歸-滑動(dòng)平均（

6、Auto- Regressive Integrated Moving Average，簡(jiǎn)稱(chēng)為 ARIMA）模型及其建立流程，并針對(duì)磁異目標(biāo)信號(hào)的特征時(shí)間未知且背景噪聲為非平穩(wěn)時(shí)間序列的情形，根據(jù)ARMA模型的L步預(yù)測(cè)公式，提出了基于 ARIMA模型預(yù)測(cè)的磁異檢測(cè)算法，且利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和仿真分析相結(jié)合的手段，詳細(xì)分析了該檢測(cè)算法的性能并指出其存在的局限性。同時(shí)，以灰色關(guān)聯(lián)度理論為基礎(chǔ)，進(jìn)一步提出了基于 ARIMA模型殘差與灰色關(guān)聯(lián)度相結(jié)合的

7、磁異檢測(cè)算法，并通過(guò)仿真驗(yàn)證的方式對(duì)其性能進(jìn)行了詳細(xì)分析。
　?。?）簡(jiǎn)要介紹了離散小波變換與逆變換等理論，針對(duì)快速離散小波變換的分解過(guò)程中存在數(shù)據(jù)逐級(jí)減少等問(wèn)題，引出了非抽樣離散小波變換的概念；利用小波變換具有時(shí)域-頻域空間局部化特性，根據(jù)小波閾值消噪的原理，通過(guò)分析傳統(tǒng)硬閾值法和軟閾值法中存在的不足之處，提出了基于加權(quán)模糊函數(shù)的小波閾值消噪的磁異檢測(cè)算法，并分別通過(guò)仿真驗(yàn)證和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析的方式，詳細(xì)分析了該檢測(cè)算法的性能并指出