地磁急变(Geomagnetic Jerks)现象,是研究地磁场长期变化时,地磁场速度变化的斜率发生突变,其地磁场加速度的方向也发生改变,甚至还出现大约几百万年一次的地磁场极性倒转现象。大量文献表明,地磁急变现象在一段时间范围内在全球各区域相继发生,且呈一定周期性变化,并已通过地磁观测数据证实了部分区域的地磁急变现象。目前国内外地磁学家基于地磁急变现象主要专注于分析其成因和时间变化规律、区域分布特征、进而研究地磁场的起源等现代地磁学理论,而忽略了将地磁场长期变化现象应用到其他研究领域。现阶段市场上已有成型的稳恒地磁场模拟系统主要应用于地磁场背景较为严格的前沿研究领域,但是,地磁场是一个随时间变化的物理场,至今还没有将地磁急变现象应用到其研究领域。本文根据地磁场长期变化的时变特征,优化了三分量地磁急变现象模型,并将该模型实用化后并研制三分量地磁急变模拟系统,为科研机构或高校提供模拟地磁场变化环境的实验平台,进一步推动其基础科学研究或其他前沿研究领域的发展。目前国内外研究机构研制的地磁场模拟系统采用模块化仪器桥接而成,且并未研发出模拟地磁场环境的专用系统,其磁场控制精度也不高。由于地磁场信号为20~70μT的弱磁场,而地磁场的变化磁场相对更弱,要想实现变化地磁场的模拟,必须提高系统的电流和磁场控制精度,才能实现模拟地磁场变化环境的精准控制。基于上述问题,本文提出了高精度、高集成度的三分量地磁急变模拟系统的研制方案。主要研究工作如下:首先,根据地磁场长期变化的时域特征,分析了地磁场模型中各种磁源场的组成及所占比例。根据Brown提出的基于时间序列预测算法的地磁场长期变化模型,并优化了三分量地磁急变模型,将该模型实用化,研制三分量地磁急变模拟系统,最后提出了三分量地磁急变模拟系统的总体设计方案。其次,根据Helmholtz线圈的工作原理,对方形线圈和圆形线圈的磁场均匀区进行了分析讨论,选择两两垂直不相交嵌套式的方形线圈搭建三维方形Helmholtz线圈,并对三维线圈的磁场均匀区进行了有限元分析。根据实验室的应用背景要求,对三分量地磁急变模拟系统进行线圈结构设计,并详细讨论了线圈的电路等效模型。最后根据技术指标要求,对相关参数进行了设定,完成三轴方形Helmholtz线圈设计。再次,根据三分量地磁急变实用化模型,提出了三分量地磁急变模拟系统总体设计方案。该系统采用上位机、ARM和FPGA架构设计进行三分量地磁急变模拟系统进行驱动控制设计,产生电流控制精度0.1 mA的数控电流源。采用三路高精度18位AD5780对三分量电流信号进行数据转换,同时采用Howland电路结构实现大动态范围的电流驱动放大,其电流的输出范围为0~±2 A。最后利用电流和磁场的双闭环反馈控制设计,提高系统电流和磁场的控制精度。最后,对三分量地磁急变模拟系统进行了实验验证分析。首先对模拟系统的线圈结构产生的中心磁场均匀度和均匀区进行了实验验证,得到直径260 mm的球型磁场均匀区,其磁场均匀度为1%。其次对模拟系统目标磁场与驱动电流进行了标定实验,确定系统驱动电流和目标磁场的函数关系。再次,为了验证模拟系统的磁场和电流控制的准确性,分别在实验室磁场暴露环境和电磁屏蔽环境进行了磁场补偿实验或地磁场稳恒磁场构建实验,其磁场控制精度可达1 nT,电流控制精度达0.2 mA。并进行三分量地磁急变现象进行模拟实验,验证了设计方法的合理性与有效性。最后,新模拟系统与商业化地磁模拟系统进行了技术指标比对,表明新三分量地磁急变模拟系统符合商业化地磁急变系统的技术指标,并符合科研机构模拟地磁场变化环境的实验平台要求,为其前沿研究领域或基础理论研究提供了重要的技术支持。