《Sensors》：Design of a Compact Space Search Coil Magnetometer
Yunho Jang,
Ho Jin,
Minjae Kim,
Ik-Joon Chang,
Ickhyun Song and
Chae Kyung Sim
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为解决传统空间搜索线圈磁强计（SCM）在满足特定灵敏度要求时传感器质量与电子系统功耗过高的问题，本文提出了一种紧凑型空间搜索线圈磁强计（SSCM）的设计方法。该研究通过采用卷带式磁芯（rolling-sheet core）和基于专用集成电路（ASIC）的传感器放大器，在保持10 Hz至20 kHz测量带宽和33 fT/√Hz @ 1 kHz系统噪声等效磁感应强度（NEMI）的同时，成功实现了传感器质量与系统功耗的显著降低。其环境测试结果进一步验证了该设计在空间相关条件下的结构安全性与功能稳定性。这项工作为未来平台资源受限的空间任务（如小卫星）提供了一种切实可行的低质量、低功耗磁场测量仪器实现方案。
在探索近地空间乃至月球的神秘环境时，科学家们需要依赖各种精密的“感官”来捕捉宇宙的“脉搏”。磁场测量便是其中至关重要的一环，它对于理解空间等离子体中的电磁波现象、能量传输和粒子加速过程具有不可替代的作用。在众多磁强计中，搜索线圈磁强计（Search Coil Magnetometer, SCM）因其对时变磁场的高灵敏度和相对简单的结构，成为空间科学任务中观测电磁波现象的主力仪器。无论是研究从毫赫兹级的超低频波到千赫兹级的哨声模合声波、磁声波和等离子体层嘶声，SCM都提供了关键数据。
然而，传统的SCM设计面临着一个核心矛盾：为了满足特定任务对灵敏度的严苛要求，往往需要增加传感器的尺寸和质量（例如采用更大的磁芯和更多的线圈匝数），这同时也会导致其有效测量带宽降低，并且显著增加整个系统的质量和功耗。在航天任务，尤其是CubeSat等小型卫星平台上，质量、体积和功耗是极其宝贵的资源。以往用于地面观测的SCM，其传感器质量可超过30公斤，这显然无法直接应用于空间任务。因此，如何在满足科学观测需求（如特定的频率范围和灵敏度）的前提下，最大限度地减少传感器质量和电子系统功耗，成为了空间SCM设计亟待解决的关键难题。本研究正是在此背景下，旨在开发一种适用于平台资源受限任务、兼顾性能与紧凑性的新型空间搜索线圈磁强计。
为了应对这一挑战，研究团队开展了一项名为“紧凑型空间搜索线圈磁ometer（Compact Space Search Coil Magnetometer, SSCM）”的研究。这项研究并非针对某一特定任务的飞行模型，而是旨在提出并验证一套系统级的设计方法学。该方法学将传感器结构、模拟前端和数字处理集成到一个紧凑且资源高效的架构中，而非仅仅优化单一部件。其核心目标是实现传感器质量和电子功耗的双重降低，同时保持系统在目标频段内的实用操作性能。相关研究成果已发表在《Sensors》期刊上。
研究人员在开展这项研究时，主要运用了以下几个关键技术方法：
首先，在传感器结构设计上，创新性地采用了卷带式磁芯（rolling-sheet core）配置来替代传统的棒状磁芯。该磁芯由具有高相对磁导率（约250,000）的退火铁磁薄片缠绕在碳纤维增强塑料（CFRP）棒上制成，在保持相近灵敏度和带宽的同时，将单个磁芯质量从约60克大幅降至15克。同时，传感器线圈被均分在五个线轴（bobbin）上以减小寄生电容，并通过印刷电路板（PCB）实现分段绕组间的电气互连，这提高了组装的可重复性和机械鲁棒性。其次，在低功耗电子学方面，研发并应用了基于180纳米工艺的专用集成电路（ASIC）传感器放大器。该ASIC采用两级放大架构，集成了抗辐射电路模块和温度补偿反馈环，在提供80 dB增益的同时，相比基于商用运算放大器的比较器，将系统总功耗（28V输入下）从4.48 W降低至3.92 W。此外，搜索线圈控制电子学（SCE）单元采用了符合1U CubeSat标准板尺寸的三层堆叠模块化设计，包含低压电源、模拟板和数字板。数字板采用ALTERA Cyclone IV现场可编程门阵列（FPGA）执行快速傅里叶变换（FFT）处理，并研究将FFT处理器迁移至65纳米工艺的ASIC中以进一步降低功耗。最后，研究通过全面的地面测试来验证系统性能，包括在多层磁屏蔽室内进行的频率响应和噪声等效磁感应强度（NEMI）测试，以及模拟空间发射和在轨环境的振动测试与热循环测试，以评估其结构安全性和功能稳定性。
研究结果通过一系列严格的测试得以呈现。在性能测试结果方面，频率响应测试表明，集成传感器放大器的SSCM在10 Hz至20 kHz的目标频带内工作稳定，传感器放大器提供了约80 dB的增益，并有效抑制了传感器自身在约3.5 kHz处的谐振响应。NEMI测试结果显示，在1 kHz频率下，系统级NEMI达到33 fT/√Hz，满足了预定的低于1 pT/√Hz的要求，表明其具备观测皮特斯拉（picotesla）量级波动的能力。三轴性能评估证实，三个传感器轴具有高度一致的频率响应，且互扰（crosstalk）可忽略不计，轴间正交性保持在约89.17°，接近理想的90°配置，确保了可靠的矢量磁场测量能力。
在环境测试结果方面，振动和热循环测试均未发现传感器组件出现机械或电气异常。振动测试中识别的一阶固有频率在测试前后变化小于5%，热循环测试中线圈电阻监控未出现电气不连续。完成环境测试后复测的系统级频率响应在1 Hz至20 kHz范围内变化在5%以内，证明了传感器结构在空间相关条件下的稳定性。
与空间飞行搜索线圈磁强计的对比分析进一步凸显了本研究的价值。与以往用于大中型航天器平台、更侧重高性能的传统SCM相比，本研究提出的SSCM在实现可比观测能力（10 Hz-20 kHz频段，NEMI在已报道的地面验证条件范围内）的同时，显著优化了质量与功耗特性。其核心创新——卷带式磁芯架构，实现了更高的“核心长度-质量比”。同时，其3.92 W的功耗代表的是包含传感器放大器、模数转换和板上信号处理的完整系统级功耗，而非仅前置放大器部分，体现了高度集成的仪器级设计理念。
综上所述，这项研究得出以下结论：所设计的紧凑型空间搜索线圈磁强计（SSCM）成功实现了在10 Hz至20 kHz频段内的稳定工作，并在1 kHz处达到了33 fT/√Hz的系统级噪声等效磁感应强度。通过采用卷带式磁芯配置，实现了相较于传统棒状磁芯约75%的质量削减；通过应用ASIC基传感器放大器，将系统总功耗降低了约12.5%。全面的环境测试验证了该轻量化传感器结构在空间相关条件下的机械安全性与功能稳定性。本研究展示了一种面向平台资源受限任务的系统级SCM设计方法学，将传感器结构、放大器和信号处理组件协同设计，在灵敏度、带宽、传感器质量和功耗之间取得了良好平衡。论文强调，这项研究并非旨在提供一个即刻的飞行模型，而是为未来在严格资源限制下（如小型卫星或CubeSat级平台）运行的航天器实现宽带磁场测量，提供了一种实用且具有参考价值的设计方法学路径。这项工作为未来的月球探测及其他不同尺度的空间探索任务中的磁场测量仪器研制，提供了一个可行的技术选项。
