柴國志，黃 亮，喬 亮，張冠茂

(1.蘭州大學(xué) 引力研究中心，甘肅 蘭州 730000；2.蘭州大學(xué) 磁學(xué)與磁性材料教育部重點(diǎn)實驗室，物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；3.蘭州大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730000)

1 引 言

縱觀整個人類文明史，人類從未停止對宇宙的觀測，從最早的人眼觀測到之后的天文望遠(yuǎn)鏡觀測，再發(fā)展到后來的射電望遠(yuǎn)鏡等觀測手段。這些技術(shù)手段都是利用電磁波作為探測對象和探測手段。利用電磁波作為觀測宇宙的工具已經(jīng)有相當(dāng)一段時間，這類技術(shù)發(fā)展至今已越來越成熟。然而，引力是許多宇宙演化過程的最根本作用，由于其相互作用本身極其微弱,在過去很長一段時間內(nèi)無法直接測量引力對時空曲率的改變，即實現(xiàn)引力波的直接探測[1]。直到2015年地面基于激光干涉的引力波觀測儀(LIGO)直接觀測到了引力波信號[2]，這是人類第一次直接觀測到引力波信號，更是驗證了廣義相對論對引力波的預(yù)言。LIGO主要針對的是高頻引力波信號的探測(>10 Hz)，這使人們能夠直接探測到引力波天文學(xué)的高頻區(qū)域，高頻區(qū)域的引力波主要針對恒星系統(tǒng)產(chǎn)生的引力波信號。然而，從天文學(xué)角度考慮，引力波探測需要研究更大特征質(zhì)量的波源，而地面探測由于受各種地表震動等的影響，其測試頻段受到限制。因此需要在太空中的超凈環(huán)境下進(jìn)行更低頻段的引力波探測，從而對幾十到幾百萬太陽質(zhì)量雙黑洞合并、以及致密雙星系統(tǒng)合并和早期宇宙來源等進(jìn)行觀測[3]。歐洲空間局和美國國家航空局已經(jīng)啟動了空間引力波探測計劃(LISA)，并于2016年發(fā)射了探路者號驗證星(LISA-Pathfinder)[4-6]。我國也啟動了由中國科學(xué)院牽頭的“太極”計劃和中山大學(xué)提出的“天琴”計劃來對空間引力波進(jìn)行探測[7-10]。

由于缺乏大氣層的屏蔽，處于懸浮狀態(tài)的檢驗質(zhì)量(TM)受到宇宙射線的直接輻射，射線中的帶電粒子如α粒子、質(zhì)子等將使TM不斷充電。帶有電荷的TM將受到來自周圍極板的靜電庫倫力和星際磁場的洛倫茲力[11]。額外的電磁噪聲將極大地影響引力波測量精度，同時對衛(wèi)星的無拖曳控制也會產(chǎn)生一定的干擾。在一些實驗中，電磁干擾甚至?xí)蔀閷嶒灥闹饕肼晛碓础?/p>

此外，由于TM不可避免地會有一定的剩余磁化強(qiáng)度，處在磁場和磁場梯度中時會受到磁場力的作用[12]。其中磁的影響主要來源于衛(wèi)星周圍的磁場，由星際磁場、電子元件和其他部件產(chǎn)生，如推進(jìn)器、電池、太陽能電池板等。為保證引力波的正常探測，環(huán)境磁場梯度也必須控制在一定范圍內(nèi)。歐空局LISA項目已經(jīng)通過地面和空間實驗研究了TM磁特性(M和χ)的影響[13-14]。然而，對于TM所處位置的磁場環(huán)境(磁場梯度)需要仔細(xì)評估，在任務(wù)執(zhí)行期間還需要不斷修正其他載荷對磁場的影響。為此，LISA都需要放置一套高精度磁傳感器用來測試環(huán)境磁場，以便從整體的加速噪聲中降低低頻磁噪聲的影響[12]。在LISA-Pathfinder任務(wù)中磁場噪聲的預(yù)算值為1.2×10-14ms-2Hz-1/2,占總噪聲預(yù)算的40%。因此有必要對空間引力波探測中的磁場噪聲進(jìn)行分析，以進(jìn)一步降低總噪聲參考。

本文將從以下幾個方面進(jìn)行詳細(xì)的介紹和論證：(1)星上磁場對慣性傳感器加速度的噪聲貢獻(xiàn)；(2)衛(wèi)星部件剩磁與衛(wèi)星平臺磁預(yù)算控制；(3)實時磁場探測系統(tǒng)與可替代傳感器討論。

2 星上磁場對慣性傳感器加速度噪聲貢獻(xiàn)

星上剩磁所造成的量化噪聲可以分為以下幾個部分：(1)磁場波動產(chǎn)生的噪聲；(2)磁場梯度波動產(chǎn)生的噪聲；(3)交流磁場產(chǎn)生的噪聲；(4)與TM剩余電荷作用產(chǎn)生的洛倫茲力噪聲。星上剩磁對慣性傳感器的加速度噪聲貢獻(xiàn)與TM的質(zhì)量、磁化率、剩余磁矩等參數(shù)密切相關(guān)，因此需要先知道TM的各種基本參量。參考LISA-Pathfinder中TM的各種參數(shù)[12]，如表1所示。下面就上述4種噪聲分別展開討論。

表1 LISA-Pathfinder檢驗質(zhì)量基本參數(shù)[12]Tab.1 Basic parameters of TM of LISA-Pathfinder

2.1 磁場波動產(chǎn)生的噪聲

由于TM磁化強(qiáng)度不為零且具有一定的磁導(dǎo)率，磁場梯度會對其產(chǎn)生非重力扭矩。等效的力和扭矩大小如下所示：

(1)

(2)

(3)

考慮到實際測量中只有測試敏感軸方向的加速度會有影響，因此只考慮敏感軸方向(x軸)的加速度，并且假定空間數(shù)據(jù)中3個軸的磁場分量相等，這時，可以給出敏感軸方向的加速度噪聲為：

(4)

(5)

其中χ0為隨頻率變化的TM磁化率，L為TM邊長，μ0為真空磁導(dǎo)率，σ0為TM的電導(dǎo)率，f為頻率。

2.2 磁場梯度波動產(chǎn)生的噪聲

利用前面所給的公式可以得到磁場梯度噪聲大小為:

(6)

2.3 交流磁場產(chǎn)生的噪聲

這部分噪聲主要由不同磁場源之間的磁場和磁場梯度噪聲耦合產(chǎn)生。比如，考慮磁場隨時間的變化為正弦函數(shù)，當(dāng)兩個或多個頻率接近的高頻磁場源共同作用在TM上時，有可能產(chǎn)生低頻噪聲，從而對低頻加速度噪聲產(chǎn)生影響。假定這部分影響主要是由衛(wèi)星平臺的不同組成部分的電流產(chǎn)生的。這時需要考慮每個磁場源的影響，可以把磁場分為不隨時間變化的B0和隨時間變化的部分(利用頻率依賴的磁化率τ和B0乘積來表示)。經(jīng)過一系列推導(dǎo)后可以得到交流磁場對加速度的貢獻(xiàn)為:

(7)

其中，l0是特征長度，數(shù)值為3.5 m；mTM是TM的質(zhì)量；A0是靜態(tài)磁化率；τi和τ0為磁化率的頻率因數(shù)。對于PtAu合金的TM，其衰減頻率為630 Hz，因此取τe=1/(2π630)。

2.4 洛倫茲力噪聲

經(jīng)過推導(dǎo)得運(yùn)動的帶電粒子在磁場中所受到的洛倫茲力的貢獻(xiàn)可以表示為:

(8)

2.5 磁場噪聲

根據(jù)噪聲傳遞公式知，總的磁場噪聲應(yīng)當(dāng)是各部分噪聲的平方和開根號形式。其中直流磁場和磁場梯度噪聲均來源于衛(wèi)星平臺之間的相互關(guān)聯(lián)；星際磁場波動和洛倫茲力之間也有耦合。因此，最終的總磁場噪聲表達(dá)式為：

(9)

參考LISA-Pathfinder任務(wù)相關(guān)參數(shù)，如表2所示。將表2數(shù)據(jù)代入上述各個噪聲計算公式中，可以得到整體噪聲預(yù)算如表3所示。從表3可以看出，磁場噪聲中星際磁場波動對加速度噪聲貢獻(xiàn)最大，其次是交流磁場的貢獻(xiàn)，之后是衛(wèi)星磁場梯度和衛(wèi)星磁場波動的貢獻(xiàn)。在設(shè)計衛(wèi)星平臺時至少也要達(dá)到LISA-Pathfinder的衛(wèi)星平臺對剩磁的控制水平，下一部分將介紹如何對衛(wèi)星平臺磁場進(jìn)行建模及模擬分析，并對各磁場源提出磁預(yù)算。

表2 LISA-Pathfinder任務(wù)中各磁場源數(shù)值[12]Tab.2 Magnetic sources of LISA-Pathfinder mission

表3 各類磁場噪聲源對加速度噪聲貢獻(xiàn)[12]Tab.3 Contribution of various types of noise sources to the total acceleration noise

3 衛(wèi)星平臺剩磁控制

進(jìn)行衛(wèi)星平臺的剩磁控制，即在衛(wèi)星設(shè)計之前就對衛(wèi)星中各個元器件的加工以及材料選擇上提出要求，比如，盡量用無磁性材料代替鐵磁性材料，在電線布線時采用補(bǔ)償設(shè)計方案，以及在衛(wèi)星平臺部件擺放時利用磁補(bǔ)償?shù)姆桨高M(jìn)行控制等。本文主要介紹衛(wèi)星平臺的磁場計算模擬方法以及可能的降低衛(wèi)星平臺剩磁的方案。

3.1 衛(wèi)星平臺磁場計算模擬方法

在衛(wèi)星平臺中，各種磁性材料以及線圈等均會對衛(wèi)星平臺的磁場產(chǎn)生影響，從而影響衛(wèi)星指定區(qū)域的磁場。比如在空間引力波探測中若對TM處的磁場產(chǎn)生影響，就會對TM的加速度噪聲產(chǎn)生影響。研究衛(wèi)星平臺中的磁場源，可以把每個部件等效為單個或者多個磁偶極子來處理，進(jìn)一步計算出衛(wèi)星平臺的靜磁場分布[15-16]。

考慮到空間中的一個偶極子的磁矩為m，這時，這個磁偶極子在空間中產(chǎn)生的磁場可以用下式表示：

(10)

其中，R是從偶極子到所求點(diǎn)的位移矢量值。磁感應(yīng)強(qiáng)度為B=μ0H,μ0是真空磁導(dǎo)率，H為磁場強(qiáng)度。這時可以得到在笛卡爾坐標(biāo)系下的B分量形式：

(11)

磁感應(yīng)強(qiáng)度梯度可以由下式得到：

(12)

以上公式是針對單個磁偶極子產(chǎn)生的磁場，當(dāng)衛(wèi)星平臺中有多個磁偶極子源時，將所有磁偶極子源在敏感位置的磁場進(jìn)行算術(shù)疊加即可得到衛(wèi)星平臺整體的磁場分布。

需要指出的是，對于距離敏感區(qū)域比較近的磁場源，用單磁偶極子近似則會引入很大誤差。這時需要考慮磁化強(qiáng)度在磁場源中的分布。一個簡單的方法(歐洲空間局K.Mehlem博士提出)是將磁場源等效為多個磁偶極子來處理[17]。在該方法中，假定所有的磁體都可以用多個磁偶極子來等價，根據(jù)實際需求選擇合適的磁偶極子數(shù)量以及合適的磁偶極子密度，就可以將磁體等價為一周或者多周的多個環(huán)形排布的磁偶極子。由于磁偶極子周圍的磁場正比于磁偶極子的大小，因此可以通過近距離測試磁體周圍不同位置的磁場大小通過矩陣變換來標(biāo)定多偶極子的大小。

另外，也可以利用有限元分析軟件對衛(wèi)星平臺的磁場分布進(jìn)行有限元模擬分析，可能用到的有限元分析軟件如Comsol Multiphysics的AC/DC模塊、Ansys的Maxwell電磁模塊、CST EM Studio等進(jìn)行有限元建模分析。由于有限元方法相當(dāng)于把每個單元劃分為了更多的小單元，因此比上述方法具有更高的精度，但在整星尺度下進(jìn)行有限元模擬分析可能會增加運(yùn)算服務(wù)器的計算量和計算負(fù)擔(dān)。

3.2 衛(wèi)星平臺剩磁控制方案

空間引力波探測過程中，衛(wèi)星平臺磁控受以下幾部分的影響[18]：

(1)姿態(tài)軌道控制系統(tǒng)(AOCS)對磁矩的要求；(2)慣性傳感器和降噪系統(tǒng)對磁場和磁場梯度的要求；(3)慣性傳感器和降噪系統(tǒng)對磁場變化率的要求。

為了使得外磁場最小化，最直接的手段是盡量減小鐵磁分量的數(shù)值，尤其是永磁體和電磁閥的大小和數(shù)量，以及在電線走線過程中的圓形布線形式。

由于整體平臺的磁場和平臺的大小以及整體平臺中的磁場源數(shù)量有關(guān)。故可以將其分解為不同的單元或者部件組合進(jìn)行分析設(shè)計。如果設(shè)計中需要某個單元的磁矩嚴(yán)格補(bǔ)償，那就需要想辦法調(diào)整其中磁場源的方向來達(dá)到補(bǔ)償效果。

通常，設(shè)計中對磁場的要求應(yīng)當(dāng)是對離敏感區(qū)域一定距離下的磁預(yù)算要求。由于空間引力波項目對磁場梯度和磁場波動提出了額外要求，因此也需要各部件的提供方對這方面采用統(tǒng)一的測試方法進(jìn)行測試表征。

在設(shè)計過程中，可以通過以下方法對磁場進(jìn)行優(yōu)化：(1)對所有的部件、器件和子系統(tǒng)提出磁預(yù)算要求；(2)在設(shè)計中盡量刪除不必要的設(shè)備；(3)盡量避免使用永磁體；(4)限制軟磁材料的使用；(5)對電流導(dǎo)體和地線進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計，避免雜散磁場的貢獻(xiàn)；(6)對每個部件進(jìn)行磁測試表征；(7)太陽能帆板需要盡可能采用無磁設(shè)計從而降低磁場大小。

在設(shè)計過程中，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格遵守以下的設(shè)計方案，以降低或優(yōu)化最大磁場。

磁場源可以分為由磁性材料產(chǎn)生的磁場，包括永磁體產(chǎn)生的磁場或者預(yù)磁化的軟磁材料產(chǎn)生的磁場和直流或者交流電流產(chǎn)生的直流或交流磁場。

永磁場部分應(yīng)盡量避免使用永磁體，比如繼電器、電磁閥等；另外，還要選擇合適的材料，盡量避免使用含磁性元素的材料。盡管有些部件可以通過退磁來實現(xiàn)零剩磁，但在使用過程中還有可能被磁化。

電流產(chǎn)生的直流和交流磁場：

這部分磁場正比于線圈面積、電流大小和線圈匝數(shù)。尤其是繼電器和電磁閥會有多匝線圈，故應(yīng)當(dāng)盡量避免使用。除此之外還應(yīng)當(dāng)滿足以下條件：(1)盡量減小電流的大?。?2)盡量減小線圈的面積，并且在布線時需要成對的布置回路線纜。在電纜中盡量使用雙絞線。因為雙絞線中電流相等，方向相反，可以實現(xiàn)減小線圈面積和抵消線圈磁場的作用。在衛(wèi)星平臺布線和內(nèi)部布線時都應(yīng)當(dāng)采取這種方式；(3)盡量避免單根地線中產(chǎn)生的隨機(jī)電流回路，這需要精心設(shè)計電力分配系統(tǒng)。

除此之外還有3種方案可以降低磁場數(shù)值：增大距離、磁矩補(bǔ)償和磁屏蔽。

(1)增大距離：磁場源產(chǎn)生的磁場大小會隨距離的增加逐漸衰減，因此對于無法避免的磁場源，在設(shè)計過程中應(yīng)當(dāng)使其盡量遠(yuǎn)離慣性傳感器。

(2)磁補(bǔ)償：由于磁場源都是以偶極子形式存在的，是一個矢量，因此可以通過調(diào)整附近兩個或多個磁場源的方向來實現(xiàn)磁補(bǔ)償。但要盡量避免加入額外不必要的磁場源，這會對磁場梯度產(chǎn)生影響。針對電流回路產(chǎn)生的磁場，可以通過采用與原電流成比例關(guān)系、反向的線圈來進(jìn)行補(bǔ)償，但是會引入額外的功耗和重量。在太陽能帆板處，應(yīng)盡量采用這種方法實現(xiàn)磁補(bǔ)償，因為每個電池板產(chǎn)生的電流都是相等的，比較容易實現(xiàn)補(bǔ)償。

(3)磁屏蔽：在空間引力波探測項目中，磁屏蔽不是很好的方案，主要原因在于磁屏蔽會引入額外的磁場梯度，從而對加速度噪聲產(chǎn)生影響。另外由于所用的磁屏蔽材料在長期使用中很難保持穩(wěn)定的磁矩分布狀態(tài)，從而可能會產(chǎn)生額外的磁場貢獻(xiàn)。

翻轉(zhuǎn)課堂（Flipped Classroom）是把傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程翻轉(zhuǎn)過來，教師通過網(wǎng)絡(luò)將學(xué)習(xí)資料發(fā)布給學(xué)生在課前學(xué)習(xí)的方式完成知識傳授的過程，在課堂上主要采取難點(diǎn)答疑、小組討論、學(xué)習(xí)成果展示及評價的方式讓學(xué)生完成知識內(nèi)化的過程?；诜D(zhuǎn)課堂的混合式教學(xué)模式是近年來教育界研究的熱點(diǎn)。

在最后評估時，需要對以下兩部分進(jìn)行磁特性測試：(1)太陽能帆板部分。主要原因在于該部分占了整個衛(wèi)星的大量體積并且距TM相對較近，需要進(jìn)行多偶極測試；(2)衛(wèi)星的其他部件。

4 磁監(jiān)控測試系統(tǒng)

在歐空局空間引力波探測計劃的探路者號LISA Pathfinder中的磁通門傳感器為Billingsley公司生產(chǎn)的TFM100G4型磁通門傳感器[19]，其在精度為166.7 μV/nT，量程為60 μT時，噪聲水平為1 Hz時100 pT/Hz1/2。磁通門技術(shù)的測試原理本質(zhì)上仍是電磁感應(yīng)原理：利用磁芯飽和現(xiàn)象，實現(xiàn)了被測量磁場的磁調(diào)制，轉(zhuǎn)化為感應(yīng)電動勢輸出。整個過程實現(xiàn)了磁場到電壓的變化，從而完成磁場強(qiáng)度的測量[20]。典型的磁通門傳感器由兩根平放置的磁芯構(gòu)成，磁芯上的激勵線圈反向串聯(lián)，感應(yīng)線圈同向串聯(lián)并利用周期電流驅(qū)動使其達(dá)到飽和。當(dāng)沒有外磁場時，每個磁芯的相反驅(qū)動電流會使相互磁通量相互抵消,總磁通量為零，并且可以補(bǔ)償由于感應(yīng)線圈奇次諧波部分帶來的影響。當(dāng)有環(huán)境磁場存在時，感應(yīng)線圈中的二次諧波行部分被用來測試環(huán)境磁場的大小。LISA Pathfinder中所用的磁通門外觀及內(nèi)部尺寸如圖1所示。

圖1 左：Billingsley公司生產(chǎn)TFM100G4型三軸磁通門傳感器照片，中圖和右圖分別為磁通門傳感器的幾何尺寸和示意圖[21]Fig.1 Left picture:billingsley tri-axial fluxgate magnetometer selected for LISA Pathfinder. Center and right: mechanical drawing and schematic of the inner sensor heads(X, Y and Z axis)

經(jīng)過測試，該型號磁通門傳感器可以滿足空間引力波探測所需的噪聲曲線與精度，但問題在于，雖然該型號磁通門已經(jīng)是滿足空間磁探測用磁傳感器中比較小的三軸磁通門傳感器產(chǎn)品，但它的磁傳感器頭大約為2 cm，尺寸仍然偏大(94 cm3)，每個軸的功耗大約為0.8 W，功耗過高。由于這些原因，在LISA Pathfinder中僅用了4個三軸磁通門傳感器進(jìn)行測試。由于傳感器本身具有的大塊磁芯和驅(qū)動電流會對目標(biāo)位置產(chǎn)生額外的磁場噪聲，需要將磁通門傳感器遠(yuǎn)離檢測區(qū)域(≥18.85 cm)處來消除感應(yīng)線圈對所檢測區(qū)域的磁場干擾。此時，傳統(tǒng)的插值算法已經(jīng)不能滿足精度要求，這就要求有一套高精度的磁場梯度反演模型結(jié)合插值算法來實現(xiàn)目標(biāo)位置的磁場計算。西班牙加泰羅尼亞空間研究所提出的神經(jīng)元算法可以得到最優(yōu)的磁場梯度和磁場數(shù)值，但其磁場數(shù)值的誤差仍很高，為20%～30%[21]。

綜上，磁通門雖然具有較高的磁場測量精度，較低的磁噪聲水平，可以作為傳統(tǒng)的空間弱磁探測的首選方案，但其作為空間引力波探測計劃中的磁測量方案仍存在以下不足：

(1)不能滿足傳感器尺寸/重量限制和空間分辨不準(zhǔn)確度。在空間探測任務(wù)中，對尺寸和重量(載荷)有著嚴(yán)格的限制，因此，傳感器尺寸越小，在相同的載荷水平下就可以放置更多的傳感器，從而增加磁場空間分布圖像重構(gòu)的精度。同時可以縮短傳感器和目標(biāo)位置的距離，從而降低空間分辨的不準(zhǔn)確度。

(2)噪聲水平。LISA Pathfinder中所用的磁通門傳感器本身噪聲水平已很低，但是當(dāng)磁通門傳感器尺寸縮小時，其噪聲水平會大幅增加而導(dǎo)致測試精度達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。而空間引力波探測的頻段要求低至0.1mHz，對噪聲水平的要求比LISA Pathfinder還要小一個數(shù)量級。因此，在最終的空間引力波探測計劃中需要體積更小、精度更高的磁強(qiáng)計進(jìn)行弱磁場探測。

(3)傳感器磁芯影響。由于最終測量的是TM處的磁場強(qiáng)度，需要對衛(wèi)星中包括磁傳感器本身存在的各種磁場源進(jìn)行評價?；谝陨峡紤]，傳感器本身剩磁約為271 μAm2。為了降低對TM處磁場影響，磁通門傳感器必須放置到遠(yuǎn)離TM的地方。此外，尋找一個具有少磁性材料的傳感器對進(jìn)一步優(yōu)化空間引力波探測中的磁場預(yù)算也有很大的幫助。

(4)剩磁效應(yīng)。所有具有磁性材料的傳感器都會有剩磁，這是由磁性材料本身的磁滯效應(yīng)決定的。對于相同材料，磁芯體積越大，對應(yīng)的零磁場下的剩余磁矩就越大。對于LISA Pathfinder中所用的磁通門傳感器，在x和z方向剩磁分別為-1.8 μT和-1.2 μT。剩磁主要由振蕩器和傳感器磁芯貢獻(xiàn)。

其中，原子磁強(qiáng)計由于物理原理限制，只能進(jìn)行標(biāo)量場測試，無法給出磁場的準(zhǔn)確方向。傳統(tǒng)磁通門的優(yōu)缺點(diǎn)在前面已經(jīng)詳細(xì)論述。由表4可以看到，隨著尺寸的減小，微型磁通門傳感器測試精度會大幅下降，噪聲水平會大幅上升而不能滿足空間引力波探測的需求。由于GMR和TMR傳感器的傳感器核心結(jié)構(gòu)為磁性超薄膜異質(zhì)結(jié)構(gòu)，故它們的本底噪聲約為3和3.8 nT/Hz1/2，相較于其他測試方法，噪聲密度偏大[24]。綜上，可滿足空間弱磁場探測的傳感器為AMR傳感器和GMI(MI)傳感器。西班牙加泰羅尼亞空間研究所正在對AMR傳感器和TMR傳感器方案進(jìn)行評估。

表4 可能用于空間弱磁場探測小型磁傳感器Tab.4 Small magnetic sensors which can possibly be used for space weak magnetic field detection

西班牙加泰羅尼亞空間研究所通過對AMR方案的研究探索發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過測試電路優(yōu)化和周期脈沖激勵技術(shù)激勵后，可以有效抑制AMR傳感器中由磁性薄膜的磁矩隨機(jī)排列而產(chǎn)生的測試噪聲[32]。在該研究組2018年發(fā)表的文章中指出經(jīng)過該方法優(yōu)化后可以在LISA測試頻段(0.1 mHz～1 Hz)實現(xiàn)噪聲曲線優(yōu)于10 nT/Hz-1/2 [33]。該研究組同樣也對TMR傳感器方案進(jìn)行了探索，利用周期脈沖激勵技術(shù)進(jìn)行測試電路優(yōu)化后，其噪聲曲線可以在1 mHz以上優(yōu)于10 nT/Hz1/2。噪聲水平還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

從表4中可以看出，GMI(MI)傳感器具有更高的精度和更低的噪聲密度，因此本文將針對基于GMI(MI)傳感器搭建適用于空間弱磁場探測的低頻低噪聲測試系統(tǒng)進(jìn)行探討。

1992年，日本名古屋大學(xué)的K.Mohri等人[34]發(fā)現(xiàn)，CoFeSiB非晶絲兩端的感應(yīng)電壓隨著外加直流磁場的增加而急劇下降。當(dāng)時他們測量到的電壓是非晶絲感抗部分對應(yīng)的分量，因此實際上這種現(xiàn)象是磁電感效應(yīng)。往后的研究表明，鐵磁非晶合金的交流電阻也會隨外加直流磁場的改變發(fā)生明顯變化。為與通常所說的磁阻(MR)效應(yīng)加以區(qū)分，該效應(yīng)被稱為交流磁阻效應(yīng)(MI)。K.Mohri等人在綜合分析磁電感效應(yīng)和交流磁阻效應(yīng)后，認(rèn)為兩者是同一物理效應(yīng)的不同表現(xiàn)形式。并把磁性材料通以交變電流時，在外磁場作用下交流阻抗會發(fā)生顯著變化的現(xiàn)象正式命名為磁阻抗(MI)或巨磁阻抗(GMI)效應(yīng)。MI和GMI的區(qū)別僅在于交流激勵是通過線圈施加或是直接施加于磁性非晶絲上，從本質(zhì)上說MI和GMI是同一種效應(yīng)，因此有時MI傳感器根據(jù)設(shè)計不同又叫做GMI傳感器。

基于MI效應(yīng)研制的磁場傳感器主要用于弱磁場探測。典型的MI效應(yīng)磁場傳感器最早是由Mohri等人設(shè)計和制造的[35]。為了提高此類傳感器的的靈敏度，科研工作者做了很多的努力，比如改變工藝參數(shù)和電路設(shè)計等[36]。這些傳感器的敏感元件可以選用非晶絲[37]、非晶帶[38]和磁性薄膜[39]等材料。日本愛知鋼鐵公司利用非晶絲設(shè)計和制造了很多種類的MI效應(yīng)磁場傳感器，應(yīng)用相當(dāng)廣泛[40]。其相比于傳統(tǒng)磁性傳感器具有功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，最重要的是具有較高的磁場靈敏度。Yabukami等人[39]用CoNbZr薄膜作為敏感元件，設(shè)計制作了一種對磁場具有高靈敏度的MI效應(yīng)磁場傳感器，在激勵頻率為500 kHz時,其分辨率達(dá)到了1.7 pT，甚至高于磁通門傳感器的分辨率。此磁場傳感器的探頭長度只有1 mm，是磁通門傳感器的二十分之一，而探測磁場的分辨率卻是磁通門傳感器的20倍。此外，MI效應(yīng)磁場傳感器相對于傳統(tǒng)磁性傳感器具有很高的熱穩(wěn)定性,受溫度影響的誤差只是傳統(tǒng)磁性傳感器的三分之一[41]。值得一提的是，利用Co基非晶絲材料研制的MI效應(yīng)傳感器在零下40 ℃到85 ℃的溫度范圍內(nèi)的熱穩(wěn)定性都很好[40]。

本課題組對日本愛知公司生產(chǎn)的MI-CB-1DH型MI傳感器進(jìn)行了低頻噪聲測試，發(fā)現(xiàn)MI傳感器也可以作為空間引力波探測用的備用磁傳感器方案。官方給出的數(shù)據(jù)是在0.1 Hz到1kHz范圍內(nèi)噪聲優(yōu)于200 pT·Hz-1/2，但是，其更低頻段的噪聲并未給出。本文對該傳感器進(jìn)行了電路改造，使得它可以測試更低頻段的磁場信號，并對其靈敏度等信息進(jìn)行了表征。試驗結(jié)果表明，該型號的MI傳感器在經(jīng)過電路改造后可以實現(xiàn)1 mHz～1 Hz頻段范圍內(nèi)噪聲優(yōu)于3 nT·Hz-1/2。對該傳感器的測試電路進(jìn)行優(yōu)化后，有望將其噪聲控制在空間引力波要求的范圍內(nèi)。但是在測試過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題需要進(jìn)一步優(yōu)化：(1)在解除交流耦合后，零點(diǎn)漂移偏大；(2)量程偏小，目前所用傳感器量程為±2 μT；(3)溫度穩(wěn)定性尚有待評估。

5 結(jié)束語

本文對空間引力波探測過程中星上剩磁對慣性傳感器的影響進(jìn)行了總結(jié)。從理論模型出發(fā)討論了星際磁場、衛(wèi)星平臺剩磁和時變磁場對慣性傳感器加速度的影響，以LISAPathfinder所在日地L1點(diǎn)空間環(huán)境為例給出了磁場對加速度噪聲的貢獻(xiàn)為2.775×10-15m s-2Hz-1/2。該數(shù)值與最終的空間引力波探測計劃對加速度噪聲的要求相比，還有一定的距離，仍需對衛(wèi)星平臺磁場分布作進(jìn)一步優(yōu)化。此外，對衛(wèi)星平臺磁場分布的計算方法進(jìn)行了介紹，并給出了衛(wèi)星平臺磁場分布優(yōu)化的具體方案和措施。最后，對可能的弱磁探測用的磁傳感器進(jìn)行了介紹，通過對比發(fā)現(xiàn)，AMR、TMR和GMI為3種測試精度和噪聲水平可能滿足空間引力波探測用的候選弱磁傳感器，有可能作為小型化、低功耗傳感器替代原來磁通門的方案。