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地磁场具有重要的应用和研究价值,获得地磁场数据从而建立地磁场模型是应用地磁场的基础。与地面磁测、海洋磁测和航空磁测相比,卫星磁测具有测量范围广、测量数据均匀,单次全球测量周期短等许多优点,是获取全球磁场数据更有效的方式。氦光泵磁力仪与磁通门磁力仪是主要的卫星磁测仪器,磁通门磁力仪测量磁场的矢量信息,氦光泵磁力仪主要负责测量磁场的标量信息并定期校准磁通门磁力仪。最新的磁测卫星Swarm上搭载的氦光泵磁力仪不仅实现了磁场的标量测量还实现了对磁场的矢量测量,这是一个突破性的进展,将降低新一代磁测卫星设计的复杂度,进一步提高卫星测量磁场数据的准确性,为多方面的研究工作带来重要的改进。本文以星载氦光泵磁力仪的最新技术进展为参照,重点研究光泵磁力仪实现矢量测量技术的原理、仿真和实验,并对影响光泵磁力仪矢量测量精度的因素进行分析。矢量测量技术对光泵磁力仪的响应速度和采样率有很高的要求,为了进一步提升光泵磁力仪的性能,提高矢量测量结果的精度,通过对影响响应速度和采样率的主要因素进行分析,重点改进了数字相敏检测器(Digital Phase Sensitive Detector,DPSD)的实现算法。现将主要的研究内容归纳如下:(1)以光泵磁力仪实现的基本原理为基础,简要叙述检测系统的实现方法。矢量测量技术以矢量运算为理论基础,通过加入微小交变磁场改变总场信号的频率成分,通过傅里叶变换进行频谱分析,然后计算地磁场的分量。(2)根据光泵磁力仪矢量测量技术的理论分析,首先进行理论仿真计算,计算结果与理论分析一致,证明了理论分析的正确性。然后进行物理仿真,在仿真亥姆霍兹线圈和背景磁场的基础上,研究影响矢量精度的因素,为后期实验的设计提供指导。(3)运用3D打印技术制作双轴亥姆霍兹线圈,通过3D技术的使用,保证了制作线圈几何尺寸的精度,提高了亥姆霍兹线圈产生磁场的精度,并且在屏蔽室进一步对亥姆霍兹线圈的性能参数进行确定。(4)在分析影响光泵磁力仪响应速度的因素上,以数字相敏检测器为突破口,重点分析了乘法器和低通滤波器算法的高效实现。对实现乘法器的CORDIC算法使用流水线结构实现,对实现CIC滤波器和FIR滤波器的算法进行了重新设计。(5)通过实验测量,对矢量技术进行验证。主要包括确定线圈的性能参数,选择稳定的磁场环境进行测试实验。最后经过对结果的计算分析,虽然有0.9%左右误差,但是仍然可以证明整个设计过程是合理有效的。