三轴磁传感器运动噪声消除方法*

何永前 胡 淼

（湛江舰船保障大队 湛江 524000）

1 引言［1～2，7］

相对于地磁场，舰船产生的磁信号很弱。为了能检测出舰船磁信号，采用正交三轴磁通阀式磁传感器来接收信号。通过对三轴磁传感器运动噪声产生机理的理论分析，发现产生噪声的原因有：三轴磁引信接收机的三个轴不理想正交；三个轴灵敏度不一致；接收电路有漂移和噪声；接收器磁芯有剩磁。

通过对正交三轴磁传感器上三个轴输出信号进行数学运算，从而得到外界磁感应强度矢量的模数，这就是正交三轴磁传感器组成的磁标量接收方法。模数是一个标量，它与方向无关，见图1。

如图1所示，设BX、BY和BZ分别为磁传感器的三轴输出，则：

图1 正交三轴磁传感器在地磁场中的信号输出

式（1）中，B为地磁场感应强度的模，θ为磁感应矢量B与接收器Z轴的夹角（磁倾角），φ为磁感应矢量与接收器X轴的夹角（磁偏角）。当磁传感器在地磁场中产生运动，磁倾角θ和磁偏角φ会产生变化，造成磁传感器的三个轴输出BX、BY和BZ不断变化。在一定的地理范围内，磁感应模B保持不变，可采用如下公式：

通过运算可得T等于磁感应模B，说明T与磁倾角θ和磁偏角φ无关。由此可知，传感器的运动不会影响T，也说明在运动中的传感器能可靠检测到目标信号。

但是，三轴磁引信接收机的三个轴不是理想正交的；三轴灵敏度不一致；接收电路有漂移和噪声；接收器磁芯有剩磁。这些都会引起式（1）传感器输出值存在误差。从而使经式（2）运算后的T不等于地磁感应模B。因此，传感器在地磁场中运动时的信号输出值个变化量。式（2）是一种非线性运算，式（1）的误差经式（2）运算后将被放大，使传感器在地磁场中运动时有很强的变化噪声信号输出。

2 磁传感器三轴不正交所引起的运动噪声

2.1 三轴磁传感器在地磁场中的信号输出［8］

如图2所示，磁传感器的三个轴分别为OX、OY和OZ，其输出信号分别为BX、BY和BZ。正交坐标系OZ1轴与OZ轴重合；使YOZ与Y1OZ1共面，设OY1轴与OY轴夹角为β；OX轴在Z1OX1平面上的投影与OX1轴的夹角为α；Z1OX1平面与OX轴的夹角为γ。

图2 磁传感器的三轴与座标轴的关系

输出为

由于角度 α、β和 γ的值很小，所以有cosα≈1，cosβ≈1，sinγ≈γ，sinα≈α，sinβ≈β，cosγ=1。从而式（3）可化简为

对上式取模运算并忽略二次小量得：

泰勒级数展开，并忽略高阶项，可得：

将式（1）代入上式：

2.1.1 传感器三轴不正交引起的运动噪声

从式（5）可以看出，由于磁传感器三轴不正交，使得取模运算后的输出结果与地磁场磁感应矢量的模有误差，这一误差量为

ΔB与磁倾角θ、磁偏角φ有关，因此，传感器在地磁场中运动时，将有变化的磁场信号输出。

因此，ΔBm的取值范围是

通过对ΔBm随αm的变化进行估计运算得出，若要使传感器任意转动时，运动噪声不大于400nT则传感器正交度误差不应大于0.5°。

2.1.2 传感器灵敏度不对称引起的噪声

假设三轴传感器输出为BX、BY和BZ，外磁场的三个分量为BX1、BY1和BZ1，，以BZ轴的灵敏度为标准，有：

对上式取模运算得：

忽略高阶量，并用泰勒级数展开，可得：

通过分析计算可知，当三轴灵敏度不对称时，将产生很强的信号输出，若要使输出不大于450nT，则三轴灵敏度不对称度必须小于0.01，当然，传感器的线性度、精度等都必须高于这个量级。

2.2 传感器三轴铁芯剩磁和电路漂移引起的运动噪声［10～11］

磁通阀式磁传感器的铁芯由玻莫合金制成，这种合金存在有剩余磁通，其矫顽力不为零，铁芯的剩余磁感应强度可达几千nT，而且随时间是作缓慢变化的。此外，磁传感器中的直流耦合电路会引起漂移和失调。铁芯中的剩磁和电路漂移会在传感器上迭加一个固定的信号，当考虑铁芯剩磁和电路的漂移时，传感器的输出为

则传感器运动时，输出信号的变化量为

磁场变化最大值为

上式表明，由铁芯剩磁和电路漂移引起的运动噪声输出，其最大值等于铁芯剩磁和电路漂移等效磁场的合成。

3 三轴磁传感器运动噪声的消除方法［1，3，8，12］

根据前面的分析可知，由于三轴磁引信接收机的三个轴不是理想正交的；三轴灵敏度不一致；接收电路有漂移和噪声；接收器磁芯有剩磁。传感器实际的输出和正交三轴磁传感器理想的输出间存在误差，通过式（3）、（9）和（11）可得理想正交三轴磁传感器输出BX1、BY1和BZ1与实际磁传感器的输出BX、BY和BZ间关系为

其中：BX，BY和BZ为实际三轴磁传感器输出值；C11，C22表达了传感器三轴灵敏度的不对称性；传感器三轴传感器的正交度决定了C12，C13和C23的大小；BX0，BY0和BZ0为铁芯剩磁和电路漂移。

对式（12）作线性变换可得如下：

式（13）表明，BX、BY和BZ是实际三轴传感器的信号输出值，BX1、BY1和BZ1为经线性变换后得到的理想正交三轴磁传感器的信号输出值。传感器正交性和电路对称性决定线性变换系数，铁芯剩磁和电路漂移和噪声决定了平移量hX、hY和hZ，通过计算得到线性变换的系数和平移量，从而消除运动引起的传感器输出噪声。

采用以下方法来验证噪声消除方法的有效性，模拟产生一组实际三轴磁传感器的输出数据，将实际数据输入单片机，单片机对实测数据进行处理，得到输出数据B2，观察B2数值是否平稳和B2（消噪后）与（没有消噪）的差值，即可以知道噪声消除方法的有效性及抗晃动功能能否实现。

表1列出了部分调试结果［6］。

转动噪声（curve2）与处理残差（curve1）比较曲线如下［4～5］。

表1给出的数据能够消除三轴磁传感器运动噪声能力为78.25dB。

表1 三轴磁传感器运动噪声的消除方法调试结果

从图3中的曲线比较可以看出，只要转换系数能够准确测定，使用三轴磁传感器实施标量接收技术，虽然雷体运动时产生了很大的干扰信号，但经信号处理之后，可使运动噪声很小。经过大量数据统计，设定合适的阈值，可以作为水雷引信使用。

图3 消噪前后相对误差曲线

4 结语

实验结果表明三轴磁传感器运动噪声的消除方法能够较好地解决了三轴磁引信运动时引起的噪声，提高了水雷引信的抗干扰性。