用超导量子干涉器测量磁场并定位磁场电流源的方法

摘要

本发明涉及用超导量子干涉器测量磁场并定位磁场电流源的方法，该方法包括以下步骤：1)利用超导量子干涉器采集少量测点上的磁场信号；2)根据测量到的磁场信号求出每个时刻的磁场极大值和磁场极小值；3)计算机对步骤2)中求得的每个时刻的磁场极大值和磁场极小值处理后求出磁场源的位置和强度参数。与现有技术相比，本发明具有方法简单、有效，且可以大大节省硬件成本等优点。

说明书

技术领域

本发明涉及磁场电流源定位的方法，尤其是涉及用超导量子干涉器测量磁场 并定位磁场电流源的方法。

背景技术

1970-1976年D.Cohen等首次提出了在实验室里用超导量子干涉器 (superconducting quantum interference device，SQUID)测量心脏磁场信号，以及 定位一个等效电流偶极子源的方法。近40年来，磁场检测及源定位的研究引起各 国高度的重视。应用范围不断扩大。为了提高源定位的精度，用SQUID测量磁场 的通道数不断增加，这也导致设备成本增加。一般商用心脏磁场测量系统需要采用 6X 6排列的36-64个通道SQUID同步测量磁场信号，不仅硬件系统复杂，而且磁 场源定位逆问题的计算方法和计算软件也面临诸多问题。因此，一种可通过少量磁 场测点进行磁场电流源准确定位的方法属于新的发明。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供方法简单、高效， 且可以节省磁场测量系统的硬件成本，简化相关算法和软件，得到准确的源定位结 果的用超导量子干涉器测量磁场并定位磁场电流源的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案实现：用超导量子干涉器测量磁场并定位 磁场电流源的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：1)利用超导量子干涉器 采集少量测点上的磁场信号；2)根据测量到的磁场信号求出每个时刻的磁场极大 值和磁场极小值；3)计算机对步骤2)中求得的每个时刻的磁场极大值和磁场极 小值进行处理后求出磁场电流源的位置和强度参数。

所述的步骤1)中磁场信号需要测量的点数可以根据磁场电流源位置固定与否 来确定，对于位置固定的磁场源，通常只需要两个测量点；如果源位置周期性的变 化，则需要采集几个相邻检测点上的磁场信号，通过插值求出测量磁场的极大值和 极小值。

所述的步骤1)、步骤2)中的磁场信号包括每个时刻的磁场值和该磁场值对应 的X-Y坐标。

所述的步骤3)具体为：

31)首先利用公式

$\theta =\arcsin \left(\frac{\sqrt{6}}{3}\right)$

根据磁场极大值和极小值的坐标求出值，测量平面上磁场极大值B_zmax(x₁，y₁)到磁 场极小值B_zmin(x，y)的连线D与测量平面X轴的夹角为

32)然后，将值和步骤2)中求得的磁场极大值和极小值以及它们在测量平 面上的位置坐标带入以下公式：

求出磁场电流源的深度d；

33)利用公式

$B_{z\max }=\frac{{\mu }_{0}Q}{6\pi \sqrt{3}{d}^2}$

求出磁场强度Q和磁场电流源的坐标(x₀，y₀)，其中，Q_x和Q_y是该磁场电流源在 X和Y坐标的强度分量。

所述的步骤2)中，当根据磁场信号可以求出磁场极大值和磁场最小值时，就 用该磁场最小值近似替代磁场的极小值。

所述的步骤2)中，当根据磁场信号只能求得磁场最大值和磁场极小值时，就 用该磁场的最大值近似替代磁场极大值。

因为本发明采用以上技术方案，即利用超导量子干涉器采集2～8个测量点上的 磁场信号进行磁场电流源定位，所以，定位方法简单、有效，与现有技术采用36 或64多通道的SQUID阵列检测方法相比，可以大大节省硬件成本。

附图说明

图1为利用两个SQUID测量点上的磁场信号定位一个磁场电流源的示意图；

图2为测量平面上的测点分布图。

图1中1表示一个电流偶极子源。

具体实施方式

下面结合附图1和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

图1给定坐标系中有A和B两个测量点。A点表示磁场的极大值所在的位置， B点表示磁场极小值的位置。X-Y坐标组成的测量平面的下方，位于深度d处有 一个产生被测量磁场的电流偶极子源。测量平面上测量点A与该电流偶极子的连 线的夹角为θ，测量平面上A、B测量点的连线与X轴的夹角为

用该方法进行测量磁场的源定位时，基本原理如图1所示。

在Maxwell方程准静态近似条件下，根据Biot-Savart定律，空间中一个电流 偶极子产生的磁感应强度为：

$B_z(x,y)=\frac{{\mu }_0}{4\pi }\left(\frac{Q_x\left({y-y}_0\right)-Q_y\left({x-x}_0\right)}{{[{(x-x_0)}^2+{\left({y-y}_0\right)}^2+d^2]}^{3/2}}\right)---\left(1\right)$

其中，Q_x和Q_y是磁场强度Q在X和Y方向的分量。产生被测磁场的电流偶极子 源的位置坐标是(x₀，y₀，z₀)，电流偶极子源的深度d＝-z₀。

当测量磁场的极大值和极小值相等时，产生磁场的电流偶极子源的深度d可以 根据图1用公式计算。其中，D是测量平面上坐标(x₁，y₁)处磁场极大值B_zmax和坐标(x，y)处磁场极小值B_zmin之间的距离。该电流源的位置(x₀，y₀)可以用中点法 计算。但是，实际测量到的磁场往往不是关于测量平面对称分布的，而且磁场与产 生磁场的电流源的参数之间呈非线性关系，在求解此类逆问题时解不唯一。为此， 我们提出了一种新的源定位方法。

图1给出了检测平面上两个测量点上的磁场极大值和极小值与电流源位置的 几何关系：

其中，

$\theta =\arcsin \left(\frac{\sqrt{6}}{3}\right)---\left(4\right)$

磁场极大值B_zmax和磁场极小值B_zmin可以通过测量和计算得到。测量平面上， 测点(x₁，y₁)处检测到的Z方向的磁场极大值：

$B_{z\max }=\frac{{\mu }_{0}Q}{6\pi \sqrt{3}{d}^2}---\left(8\right)$

位于(x，y)的磁场极小值：

当已知测量磁场的极大值B_zmax和极小值B_zmin时，公式(8)和(9)中的Q和 d可以由这两个方程解出。从而由(5)、(6)和(7)式可以求出电流偶极子在X 和Y方向上的电流强度分量，并由(2)和(3)式计算出电流源的平面坐标。当 磁场的极大值和极小值没有被检测到时，可以用检测到的磁场最大值和最小值近似 替代。

实施步骤如下：

1.将两个SQUID探头分别对准可以检测到磁场极大值B_zmax和极小值B_zmin的 测量位置，并确定这两个测点在检测平面上的坐标，即(x₁，y₁)处是磁场极大值B_zmax， (x，y)是测量到的磁场极小值B_zmin的位置。

2.根据磁场极小值的坐标(x，y)和计算公式(5)，(6)求出角度

3.将值和磁场极大值B_zmax及其坐标(x₁，y₁)，磁场极小值B_zmin及其坐标(x，y) 带入公式(9)求出偶极子深度d。

4.用公式(2)，(3)计算该电流偶极子的X-Y坐标(x₀，y₀)。

5.根据公式(8)计算出Q。

6.根据公式(7)求出Q_x和Q_y分量。

如果没有磁场峰值和谷值随时间变化的情况，通常只需要两个测点就可以按照 上述方法完成源定位的计算。如果测量磁场的峰值和谷值有变化，可以通过相邻测 点上的信号取值，再通过插值求出磁场信号的极大值和极小值，然后进行电流源参 数的计算。每个测点的间距可以是3.5-4cm。

采集磁场信号时，如图2所示，先根据经验确定磁场极大值B_zmax所在的位置， 磁场极小值B_zmin的位置通常是在磁场极大值的右侧，需要根据经验搜索。磁场的峰 值和谷值的测量位置确定后，在这两个测点上同步检测心脏磁场的信号。