基于TMR传感器的地磁信号采集与校准研究
摘要
自地磁场的作用被发现以来，在导航、地质勘探、地震预报、传感器、医疗及其他
许多领域的应用日渐深入，它已和人类生活紧密相连。其中水下地磁探测由于其可靠性
高和隐蔽性好等优点，成为移动区域测量和搜索的重要探测手段。而小体积、低功耗的
磁测装备是水下地磁探测的关键，尽管目前已有许多高性能的磁测方案，但在该应用场
景下这些磁测装备存在一些缺点，如需要极低的工作温度、功耗高、存在磁滞和偏移等。
本文针对现有方案的这些缺点，开展了基于隧道磁阻（TMR）传感器的地磁信号采集与
校准工作，主要研究内容如下：
基于TMR传感器设计地磁采集电路并分析传感器误差源。本文从磁测量原理入手，
选择了体积小、灵敏度高、功耗低的TMR传感器作为磁探测手段，然后基于TMR传感
器设计了一款地磁信号采集电路，并检验了电路的分辨率和功耗。根据三轴TMR传感
器的组成结构和工作环境，将采集误差分为了可建模误差和不可建模误差。
针对不可建模误差，采用近场磁场仿真进行设计优化。由于不可建模误差来自与电
路数字部分的高频磁场扰动，本文基于Ansys对采集电路进行近场磁场仿真，并以此对
电路进行优化电路设计，降低辐射磁场强度，并将电路中电磁辐射强的区域远离传感器
位置，大大降低高频磁场干扰对传感器采集地磁信号的影响。
针对可建模的误差，对其数学建模，通过对比后选择使用奇异值分解无迹卡尔曼滤
波（SVD-UKF）算法对此类误差进行补偿校正。然后根据磁传感器校准的物理背景对奇
异值分解无迹卡尔曼补偿系统进行了优化，选择地磁标量为观测量，优化了解算姿态矩
阵的步骤，选择待测矩阵中的9个参数为观测向量。还优化了第一次无迹变换，大幅减
少了每次迭代中对选取采样点集和更新解算的工作量，减少了系统的计算量，并从理论
层面上改善精度。为验证该补偿系统的运算精度，选取领域内经典的最优椭球与最小二
乘组合补偿方案进行比较。通过仿真证明，SVD-UKF算法精度优于最优椭圆算法。
最后设计实验对SVD-UKF校准方案进行实物验证。通过利用铯光泵磁力仪测量某
点磁场数据作为参考值，再将TMR地磁采集电路至于同一点进行真实数据采集。将数
据输入奇异值分解无迹卡尔曼系统补偿之后得到待测量，由此计算得到地磁补偿之后的
矢量与标量。经过算法系统补偿之后误差控制在了0.47%以内。
关键词：隧道磁阻传感器；磁力计；磁干扰模型；奇异值分解无迹卡尔曼滤波
基于TMR传感器的地磁信号采集与校准研究
Abstract
Sincethediscoveryoftheroleofthegeomagneticfield,ithasbeenusedinnavigation,
geologicalexploration,earthquakeforecasting,sensors,medicaltreatmentandmanyother
fields,andithasbecomecloselyconnectedwithhumanlife.Amongthem,underwater
geomagneticdetectionhasbecomeanimportantdetectionmeansformobileareameasurement
andsearchduetoitsadvantagessuchashighreliabilityandgoodconcealment.Althoughthere
aremanyhighperformancemagneticmeasurementsolutions,therearesomedrawbacksinthis
application,suchastheneedforextremelylowoperatingtemperature,highpowerconsumption,
hysteresisandoffset,etc.In