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弱磁探测在矿产资源勘查、空间科学研究、地震电磁监测、国防军事预警等领域中发挥着关键作用，是关系国计民生和国家安全的核心技术之一，高灵敏度、低噪声磁场传感方法是弱磁探测的前提。当前，在众多矢量磁场传感技术中，磁通门传感器以其成本、体积、性能等方面的均衡优势，被认为是综合性能最佳的弱磁传感技术，成为一项不可或缺的弱磁探测手段。虽然磁通门传感技术的发展已近百年，然而其当前所达到的磁测水平与其性能潜力仍有很大差距。2003年，隶属于美国军方的科研团队提出了基于随机共振原理的级联磁通门传感技术，该技术结合非线性系统的耦合振荡特征，具有单体磁通门传感技术无法达到的磁测灵敏度，有望进一步提升磁通门传感器的磁测性能，实现亚pT量级的磁场传感。发展至今，国际上形成了集理论研究、方法应用、技术实现于一体的科研团队，基本完成了系统的级联磁通门传感技术的理论体系搭建与样机实现，整体处于发展上升阶段。反观国内，虽有科研团队进行了磁通门随机共振理论的相关研究，但未形成完整的理论体系，仍处于预研起步阶段，与国外存在一定的差距。
为形成完整的级联磁通门传感技术体系，缩小与国外科研团队之间的差距，进一步释放级联磁通门传感器的磁测性能，本文从理论分析、方法应用、硬件改进等方面对级联磁通门传感技术进行研究。在理解级联磁通门传感理论的基础上，应用状态反馈和同频注入锁定方法实现传感器的灵敏度控制和噪声抑制，通过元件排列方式改进和检测系统优化实现磁通串扰抑制和磁场平衡检测，最终完成级联磁通门传感器的研制并实现传感器磁测性能的提升。基于上述研究思路，本文主要完成的工作内容如下：
(1)级联磁通门系统的理论分析与传感器实验样机搭建。级联磁通门传感技术的本质是对于软磁材料动力学特征的应用。基于软磁材料的动力学模型，分析了磁芯的磁化双稳态特征，依据级联磁通门系统的耦合结构，形成了级联系统的动力学表达，通过系统的分岔情况研究了级联耦合振荡的特征及形成条件，根据实验获得的耦合振荡的波形数据，通过参数的回归拟合，建立了级联磁通门系统的数值仿真模型。同时，结合级联磁通门传感技术的实现特点，从磁芯材料、探头结构、耦合方式、检测系统等方面进行分析，结合国内磁性材料加工工艺和3D打印技术，完成了级联磁通门探头搭建、耦合电路设计与制作、数字式时间差检测系统搭建，形成了国内第一套级联磁通门传感器原理样机。该部分为后续研究提供了基础的理论支撑和实验测试对象。
(2)基于状态反馈原理的传感器灵敏度调控方法。研究了级联磁通门传感器的灵敏度表达及其影响因素，研究了状态反馈对于级联系统的控制规律并进行了状态反馈的物理实现，通过数值仿真和实验测试的手段得到了状态反馈对于耦合振荡特征和传感器灵敏度的影响规律。测试结果表明，状态反馈能够有效控制级联系统的临界耦合参数，进而实现传感器灵敏度的有效提升，使传感器灵敏度由0.0253μs/nT提升至0.7895μs/nT。
(3)基于注入锁定方法的传感器噪声优化技术。学习了注入锁定的理论，并结合级联磁通门系统给出了具体的实现方法。研究了注入信号的频率失调和幅度对级联系统工作状态的影响规律，通过数值仿真验证了注入锁定对于耦合振荡的锁频稳相效果，设计了注入锁定实现并进行了相应的实验测试。测试结果表明，注入锁定能够有效提升传感器的磁测分辨能力，在未实施状态反馈情况下，实现了分辨力由395pT至70pT的提升。
(4)磁通门元件之间的磁通串扰抑制。分析了磁通串扰对于级联系统振荡特征及传感器性能的影响，通过有限元仿真的手段对传统横向排列方式和所提出的纵向排列方式的磁通串扰进行评估，搭建了纵向排列方式的级联磁通门探头，并进行了磁通串扰的实验测试。仿真及实验测试结果表明，纵向排列方式能够有效的降低磁通串扰，同时可使探头具有更小的体积。
(5)基于时间差原理的磁通反馈检测方法。设计了时间差检测方法的模拟电路实现，提出了磁通反馈检测方法，实现了磁场的闭环平衡检测，使磁芯处于零磁状态，规避了时间差检测方案由于磁芯非零磁状态引起的固有缺陷。完成了级联磁通门传感器的最终设计，并进行了实验测试。测试结果表明，所搭建的磁通门传感器在1Hz频点处的噪声水平为20pT/√Hz左右，基本达到了当前主流磁通门传感器(Mag-03基础版)的水平。
最终，通过上述研究，形成了基于级联耦合振荡的磁通门传感器磁测性能提升方法，完成了级联磁通门传感器的搭建与性能测试，传感器基本达到了当前主流磁通门传感器的噪声水平。同时，基于所搭建的磁通门传感器成功进行了以地铁磁场干扰为目标的测量尝试，初步验证了传感器的应用适用性。本文从理论分析、方法应用、硬件优化等方面对级联磁通门传感技术进行研究，形成了较为完整的研究体系，缩小了与国外科研团队之间的差距，为磁通门传感器的性能提升提供了可行方向，为国内的级联磁通门技术研究奠定了坚实的基础。
为形成完整的级联磁通门传感技术体系，缩小与国外科研团队之间的差距，进一步释放级联磁通门传感器的磁测性能，本文从理论分析、方法应用、硬件改进等方面对级联磁通门传感技术进行研究。在理解级联磁通门传感理论的基础上，应用状态反馈和同频注入锁定方法实现传感器的灵敏度控制和噪声抑制，通过元件排列方式改进和检测系统优化实现磁通串扰抑制和磁场平衡检测，最终完成级联磁通门传感器的研制并实现传感器磁测性能的提升。基于上述研究思路，本文主要完成的工作内容如下：
(1)级联磁通门系统的理论分析与传感器实验样机搭建。级联磁通门传感技术的本质是对于软磁材料动力学特征的应用。基于软磁材料的动力学模型，分析了磁芯的磁化双稳态特征，依据级联磁通门系统的耦合结构，形成了级联系统的动力学表达，通过系统的分岔情况研究了级联耦合振荡的特征及形成条件，根据实验获得的耦合振荡的波形数据，通过参数的回归拟合，建立了级联磁通门系统的数值仿真模型。同时，结合级联磁通门传感技术的实现特点，从磁芯材料、探头结构、耦合方式、检测系统等方面进行分析，结合国内磁性材料加工工艺和3D打印技术，完成了级联磁通门探头搭建、耦合电路设计与制作、数字式时间差检测系统搭建，形成了国内第一套级联磁通门传感器原理样机。该部分为后续研究提供了基础的理论支撑和实验测试对象。
(2)基于状态反馈原理的传感器灵敏度调控方法。研究了级联磁通门传感器的灵敏度表达及其影响因素，研究了状态反馈对于级联系统的控制规律并进行了状态反馈的物理实现，通过数值仿真和实验测试的手段得到了状态反馈对于耦合振荡特征和传感器灵敏度的影响规律。测试结果表明，状态反馈能够有效控制级联系统的临界耦合参数，进而实现传感器灵敏度的有效提升，使传感器灵敏度由0.0253μs/nT提升至0.7895μs/nT。
(3)基于注入锁定方法的传感器噪声优化技术。学习了注入锁定的理论，并结合级联磁通门系统给出了具体的实现方法。研究了注入信号的频率失调和幅度对级联系统工作状态的影响规律，通过数值仿真验证了注入锁定对于耦合振荡的锁频稳相效果，设计了注入锁定实现并进行了相应的实验测试。测试结果表明，注入锁定能够有效提升传感器的磁测分辨能力，在未实施状态反馈情况下，实现了分辨力由395pT至70pT的提升。
(4)磁通门元件之间的磁通串扰抑制。分析了磁通串扰对于级联系统振荡特征及传感器性能的影响，通过有限元仿真的手段对传统横向排列方式和所提出的纵向排列方式的磁通串扰进行评估，搭建了纵向排列方式的级联磁通门探头，并进行了磁通串扰的实验测试。仿真及实验测试结果表明，纵向排列方式能够有效的降低磁通串扰，同时可使探头具有更小的体积。
(5)基于时间差原理的磁通反馈检测方法。设计了时间差检测方法的模拟电路实现，提出了磁通反馈检测方法，实现了磁场的闭环平衡检测，使磁芯处于零磁状态，规避了时间差检测方案由于磁芯非零磁状态引起的固有缺陷。完成了级联磁通门传感器的最终设计，并进行了实验测试。测试结果表明，所搭建的磁通门传感器在1Hz频点处的噪声水平为20pT/√Hz左右，基本达到了当前主流磁通门传感器(Mag-03基础版)的水平。
最终，通过上述研究，形成了基于级联耦合振荡的磁通门传感器磁测性能提升方法，完成了级联磁通门传感器的搭建与性能测试，传感器基本达到了当前主流磁通门传感器的噪声水平。同时，基于所搭建的磁通门传感器成功进行了以地铁磁场干扰为目标的测量尝试，初步验证了传感器的应用适用性。本文从理论分析、方法应用、硬件优化等方面对级联磁通门传感技术进行研究，形成了较为完整的研究体系，缩小了与国外科研团队之间的差距，为磁通门传感器的性能提升提供了可行方向，为国内的级联磁通门技术研究奠定了坚实的基础。