Совершенствование цифровых ядерно-прецессионных геомагнитометров

• Автор: Денисов, Алексей Юрьевич
• Шифр специальности: 01.04.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2000
• Место защиты: Екатеринбург
• Количество страниц: 134 с. : ил.

5. НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ МАГНИТОМЕТРОВ С ВНУТРИЦИКЛОВЫМИ МЕТОДАМИ ОБРАБОТКИ СИГНАЛА
5Л. Полоса регистрации магнитометра
5.2. Реализация широкополосного режима магнитометра при использовании внутрицикловых методов обработки
5.3. Влияние усилительного тракта на погрешность магнитометра
5.4. Заключение к главе
6. ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ РАБОТЫ ЯДЕРНО-ПРЕЦЕССИОННЫХ МАГНИТОМЕТРОВ
6.1. Зависимость случайной погрешности измерения от режима работы магнитометра
6.2. Оптимальные режимы работы при неограниченном энергопотреблении и быстродействии
6.3. Оптимальные режимы при высоком быстродействии и неограниченном энергопотреблении
6.4. Оптимальные режимы при высоком быстродействии и ограниченном энергопотреблении
6.5. Заключение к главе
7. РАСЧЁТ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДАТЧИКОВ ПРОТОННЫХ МАГНИТОМЕТРОВ
7.1. Протонные датчики геомагнитного поля
7.2. Расчёт протонных датчиков
7.3. Оптимизация датчика протонного магнитометра
7.4. Заключение к главе
8. АППАРАТУРНАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЦИФРОВЫХ ЯДЕРНО-ПРЕЦЕССИОННЫХ МАГНИТОМЕТРОВ И ИХ НЕКОТОРЫЕ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗ
8.1. Магнитометр-градиентометр для наземных применений на базе процессорных датчиков POS
8.2. Скважинный магнитометр LOM
8.3. Применение ядерно-прецессионных магнитометров для исследования магистральных газопроводов
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
1. МАГНИТОМЕТРЫ НА ПРИНЦИПЕ ЯДЕРНОГО МАГНИТНОГО РЕЗОНАНСА
1.1. Явление ядерного магнитного резонанса
1.2. Ядерные магнитометры
1.3. Принцип действия ядерно-прецессионных магнитометров
1.4. Режимы работы циклических ядерно-прецессионных магнитометров
1.5. Принципиальная схема циклических ядерно-прецессионных магнитометров
1.6. Преобразователи частота-код ядерно-прецессионных магнитометров
1.7. Заключение к главе
2. МОДЕЛЬ ЯДЕРНО-ПРЕЦЕССИОННОГО МАГНИТОМЕТРА
2.1. Система регистрации ядерно-прецессионного магнитометра
2.2. Шумы в системе регистрации магнитометра
2.3. Оцифровка сигнала свободной прецессии
2.4. Расчёт первых моментов случайных отклонений переходов сигнала через уровень компарирования
2.5. Заключение к главе
3. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ПРЕЦЕССИИ
3.1. Алгоритмы определения периода фазового сигнала
3.2. Погрешность определения периода фазового сигнала
3.3. Анализ шумов квантования
3.4. Заключение к главе
4. РАСЧЁТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОЦЕССОРНОГО ЯДЕРНО-ПРЕЦЕССИОННОГО МАГНИТОМЕТРА
4.1. Погрешности магнитометра, обусловленные переходным процессом
4.2. Систематическая погрешность магнитометра, обусловленная уровнем срабатывания компаратора
4.3. Случайная погрешность магнитометра
4.4. Экспериментальное исследование случайной погрешности измерений
4.5. Заключение к главе
ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие многих отраслей науки и производства неразрывно связано с проблемой абсолютного измерения величины магнитного поля. В частности, современные общемировые тенденции в физике Земли и космоса по увеличению информативности проводимых измерений предполагают извлечение максимально возможных данных о магнитных характеристиках окружающей среды и комплексирование их с другими физическими данными. Например, для этих целей предполагается развитие целой сети магнитных обсерваторий работающих в синхронном режиме и по единому стандарту, с возможностью информационного обмена между ними. Также существует объективная потребность в проведении высокоточного картографирования магнитного поля Земли, что особенно актуально для геофизики и геологии в связи с тенденцией исчерпания дешёвых разведанных сырьевых ресурсов.
Популярность использования магнитных измерений объясняется, прежде всего, тем, что такого рода исследования при достаточной эффективности являются наиболее дешёвыми и массовыми. Самое широкое распространение в наземной, морской, скважинной, аэрокосмической магниторазведке, а также обсерваторских наблюдениях получили высокоточные абсолютные измерители индукции геомагнитного поля - ядерно-прецессионные магнитометры. Принцип действия данных магнитометров основан на регистрации сигнала свободной прецессии протонной намагниченности во внешнем магнитном поле. Ядерно-прецессионные магнитометры начали развиваться с 50-х годов и продолжают совершенствоваться, в связи с возрастающими требованиями к абсолютным измерителям в плане повышения их точности и быстродействия. В настоящее время физические возможности увеличения чувствительности таких приборов за счёт повышения сигнала ограничены, и поэтому на первый план

Глава 3. ЦИФРОВАЯ ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ПРЕЦЕССИИ
Одним из главных моментов при проектировании магнитометра является выбор способа обработки оцифрованного сигнала. Первая попытка теоретического анализа и построения оптимального алгоритма определения частоты свободной ядерной прецессии была проделана в работе [58]. Авторы получили теоретически очень высокую, по тем временам, точность измерения частоты, однако практически осуществить предложенный способ представляется затруднительным [59]. Фактически в магнитометрах того времени развитие получили только простейшие способы обработки типа периодомера или частотомера. По мере развития науки и техники сильно возросли возможности магнитометров, как в плане повышения сигнала, так и в плане применения более точных алгоритмов обработки. В работе [60] представлен сравнительный анализ по точности достаточно широкого спектра алгоритмов, используемых в магнитометрах в настоящее время. Возросшее число возможных способов обработки цифрового сигнала ставит перед разработчиками магнитометрической аппаратуры задачу выбора оптимального алгоритма. Подбор метода обработки может осуществляться по различным критериям, в зависимости от решаемых аппаратурой задач и её возможностей и конструкции. В действительности, как мы увидим в последующих главах, именно алгоритм во многом формирует основные требования, предъявляемые к измерительному тракту магнитометра.
В представляемой главе мы сосредоточимся на анализе основных алгоритмов, применяемых в магнитометрии, определяющих модуль индукции внешнего магнитного поля по периоду сигнала свободной прецессии ядерных моментов Т° = 2л/о)0. «Классический» метод простого периодомера, также представленный в данной главе, является одним из первых и наиболее широко применяемых способов обработки в области частотных измерений, поэтому его свойства изучены достаточно подробно, в том числе в приложении к