海洋磁力測量技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀

1、海洋磁力測量技術(shù)應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀一、引言海洋是地球最廣闊的區(qū)域，占地球表面積的71%,目前海底還有95%的未知世界。21世紀是海洋世紀，著力打造“向 海經(jīng)濟”，搞好“ 21世紀海上絲綢之路”，發(fā)展海洋磁力測 量技術(shù)是海洋測量技術(shù)的重要組成部分。海洋磁力測量技術(shù)是認識和開發(fā)海洋的重要手段，海洋 磁場信息是海戰(zhàn)場環(huán)境信息建設(shè)的重要組成部分，也是地球 物理場和海洋地質(zhì)科學(xué)研究的主要內(nèi)容之一。海洋磁力測量 的對象主要是地磁場或地磁異常場。地磁場是隨時間和空間 而變化的矢量場，海洋磁力測量技術(shù)屬于弱磁場探測技術(shù)， 海洋磁力測量的任務(wù)就是通過各種手段獲取海洋區(qū)域地磁 場的分布和變化特征，為進一步研究、解釋和

2、應(yīng)用海洋磁力 信息提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐。海洋磁力測量在軍事領(lǐng)域和民用領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，高 精度的海洋磁場信息可為地震監(jiān)測與研究、海底地質(zhì)研究、 海洋礦產(chǎn)資源勘探、海洋沉船打撈搜救、海洋油線管道調(diào)查、 水下磁性目標探測、導(dǎo)彈地磁匹配導(dǎo)航、水下潛器自主導(dǎo)航 等方面提供重要的基礎(chǔ)資料。海洋磁力測量技術(shù)涉及到磁力儀傳感器技術(shù)磁場測量數(shù)據(jù)的采集、磁力測量信息的處理、磁場模型的建立以及磁 力成果與應(yīng)用需求的結(jié)合等多方面的問題。當(dāng)前我國海洋磁 力測量技術(shù)處在發(fā)展階段，我國海域和部分重要海區(qū)精密海 洋磁力測量，還是以船載地磁總場測量為主，航空磁力測量 為輔。磁場信息獲取手段不完備、測量平臺效率低、測量要 素不齊全

3、、測量區(qū)域覆蓋不全等問題普遍存在。本文結(jié)合海 洋磁力測量技術(shù)在海洋工程和軍事方面的應(yīng)用需求，對海洋 磁力測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀進行了評估對發(fā)展前景進行了展望。二、海洋磁力測量技術(shù)在海洋工程上的應(yīng)用近年來隨著海洋磁力測量相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，技術(shù)越來越成熟，海洋磁力測量技術(shù)在民用領(lǐng)域應(yīng)用范圍越來越 廣。比如，海洋磁力測量發(fā)現(xiàn)了海底條帶狀磁異常，為板塊 構(gòu)造學(xué)說提供了重要依據(jù)。海洋磁力測量技術(shù)在海洋工程開 發(fā)上有廣闊的空間。（一）海底光纜鋪設(shè)中的應(yīng)用海洋磁力探測技術(shù)是通過探測海底線纜引起的地球磁 場變化，從而實現(xiàn)對海纜的探測和定位。地磁場分布較為復(fù) 雜，在易受海區(qū)磁場（如海床上有海砂礦等之類的磁性物質(zhì)）干

4、擾的區(qū)域外，可探測埋設(shè)較淺的（小于1m）海纜，其相對地磁場（2500065000nT）的變化量約為50nT,可以據(jù)此探測海 底電力電纜、海底通信電纜和海底光纜。其他采用飽和式磁 力儀探測、質(zhì)子磁力儀探測、光泵磁力儀探測等方法其均可 達到很好的探測精度，能夠?qū)＠|故障點和敷設(shè)路由進行探 測和定位。（二）在海底油氣管線維修的應(yīng)用我國海洋石油產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，建立了很多石油平臺并鋪 設(shè)了大量的海底管線（輸油管線、輸氣管線及注水管線等 ）， 由于海水腐蝕、海洋生物損害等，部分管道出現(xiàn)損害和抗力 衰減，造成油氣泄露，產(chǎn)生經(jīng)濟損失并會對環(huán)境產(chǎn)生危害， 因此探測現(xiàn)有海底管線鋪設(shè)現(xiàn)狀及準確位置對海底管線及 時維修

5、和實時更新十分重要。由于海底管線基本都是較粗的 鐵質(zhì)管，其產(chǎn)生的磁場比較大，有幾十到幾百納特的磁異常， 利用海洋磁力測量技術(shù)對油田平臺周邊海底管線進行探測， 探測效果明顯。（三）在海底廢棄軍火及其他磁性物體方面的應(yīng)用在海洋戰(zhàn)爭中，近海遺棄的水雷和炮彈，對海洋工程和 正常工作構(gòu)成威脅。因此采用磁力測量技術(shù)，通過布設(shè)較密 的觀測網(wǎng)，及時發(fā)現(xiàn)磁異常點，對海洋工程施工和未知海域 航行進行前期排查處理，為海洋區(qū)域的安全提供保障。大型的海洋工程必須確保其地基穩(wěn)定可靠，與地面飛機 場跑道類似，海上相關(guān)工程也需要對地磁環(huán)境進行測量，確 保區(qū)域穩(wěn)定性。應(yīng)用海洋磁力測量技術(shù)既可以排查海底沉船 殘骸等有害障礙物，又

6、可以有效避免將重型工程建設(shè)在海底 礦產(chǎn)之上，影響日后開發(fā)使用。另外最重要的是可以了解工程區(qū)域內(nèi)斷層及其他地質(zhì)構(gòu)造情況。利用海洋磁力測量技 術(shù)結(jié)合地震勘探和鉆孔資料，對地質(zhì)異常進行地質(zhì)解釋。（五）在環(huán)境監(jiān)測方面的應(yīng)用海底及海面污染物堆積會對海洋生物和人類日常海洋 活動產(chǎn)生嚴重的影響，因此各國都在積極開展海洋環(huán)境治 理，相較于傳統(tǒng)的密集取樣， 采用海洋磁力測量能夠大范圍、 寬海域、多層次的對海洋環(huán)境污染情況進行較為全面的監(jiān)測 和掌控。三、海洋磁力測量技術(shù)在軍事方面的應(yīng)用海洋磁力信息是海軍海戰(zhàn)場環(huán)境建設(shè)必不可少的要素， 海洋磁性目標探測識別技術(shù)、海洋地磁匹配導(dǎo)航等關(guān)鍵技術(shù) 的應(yīng)用都需要海洋磁力測量技

7、術(shù)及海洋磁測資料的支撐。（一）在探潛中的應(yīng)用海洋磁力測量技術(shù)可以有效獲取到水下及水面磁場、變 化信息，對海洋中的磁性物體 （潛艇、水雷、艦船等）進行探 測，可以在已知背景場的基礎(chǔ)上對磁異常現(xiàn)象進行分析，探 測潛艇活動情況，可以采用大深度目標探測識別技術(shù)，還可 以與航空磁力測量相結(jié)合，探測復(fù)雜背景場條件下的潛艇目 標。世界上先進的航空磁探測系統(tǒng)可實現(xiàn)在潛艇上方300800m處對其進行準確定位。（二）在潛艇消磁隱身中的應(yīng)用為了應(yīng)對磁異常探測的威脅世界上軍事強國均投入大 量財力對潛艇磁隱技術(shù)進行研究，以提升其生存能力。潛艇 消磁集中在控制或減少潛艇磁場方面，由于潛艇本身具有較 大的磁場，使其接近地球

8、背景場信息很難，加上不同海域其 本身磁性變化未知，因此消除固定磁場這種方法很難保證消 磁效果?，F(xiàn)代消磁技術(shù)已采用磁抵消技術(shù)，即通過海洋磁力 測量技術(shù)實時獲取當(dāng)前海域的磁場信息，經(jīng)過地磁解算運用 消磁設(shè)備進行抵消潛艇本身磁性，達到潛艇消磁隱身目的。（三）在艦艇導(dǎo)航和武器制導(dǎo)中的應(yīng)用地磁導(dǎo)航是海洋軍事應(yīng)用領(lǐng)域之一，海洋磁力測量技術(shù) 的發(fā)展實現(xiàn)了地磁導(dǎo)航與 GNSS慣性系統(tǒng)等結(jié)合，為導(dǎo)航與 制導(dǎo)提供了更加先進科學(xué)的選擇，其具有無源、無輻射、全 天時、全天候、全地域、體積小、能耗低等優(yōu)點。潛艇、無 人潛航器可依托地磁導(dǎo)航實現(xiàn)長航時，高精度水下航行；巡 航導(dǎo)彈可依托地磁導(dǎo)航實現(xiàn)跨海制導(dǎo)定位；同時，地磁導(dǎo)

9、航 還應(yīng)用在走航式水雷導(dǎo)航系統(tǒng)中。四、海洋磁力測量關(guān)鍵技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀（一）海洋磁力傳感器技術(shù)海洋磁測最早可追溯到 20世紀50年代，Vacquier等人采 用磁通門磁力儀在大洋進行地磁場測量。隨著傳感器技術(shù)的 發(fā)展，磁力測量系統(tǒng)由簡單到復(fù)雜，靈敏度和精密度越來越 高。根據(jù)測量原理不同，磁力測量系統(tǒng)主要分為感應(yīng)線圈式 磁力儀、磁通門磁力儀、核子旋進質(zhì)子磁力儀、Overhauser效應(yīng)質(zhì)子磁力儀、光泵磁力儀、原子磁力儀、超導(dǎo)磁力儀等。20世紀初，早期的海洋磁力測量主要采用感應(yīng)式磁力儀 進行磁偏角測量。20世紀40年代，磁通門磁力儀研制成功， 極大地提高了磁測精度。磁通門磁力儀是矢量磁力儀，可以 測量

10、三分量，但是相比量子磁力儀，測量精度不能滿足高精 度磁測的需求。隨著量子磁力測量技術(shù)的發(fā)展和成熟，20世紀70年代開始，海洋磁測大量采用質(zhì)子磁力儀和光泵磁力。質(zhì)子磁力儀只能點測，噪聲水平約為 0.1nT/Hz 0.1Hz , Overhauser效應(yīng)質(zhì)子磁力儀可以連續(xù)測量，其噪聲水平約為0.01nT/Hz 0.11.0Hz，光泵磁力儀也可以連續(xù)測量，其噪聲水平約為0.001nT/Hz 0.1Hz。近些年來，超導(dǎo)量子干涉磁力儀和 原子磁力儀的研發(fā)也十分活躍。超導(dǎo)量子干涉磁力儀是一種 矢量磁力儀，它的優(yōu)勢是靈敏度高。在液氦溫度下（4K）用低溫超導(dǎo)體制成的LTCSQUIID其靈敏度可達1fT / H

11、z ，測量 頻帶寬。原子磁力儀完全利用光學(xué)方法測量磁場，靈敏度達 到0.54fT/Hz，空間分辨率達到毫米級。當(dāng)前海洋磁力測量主要以質(zhì)子磁力儀和光泵磁力儀為主，美國的Geometries、加拿大的Scintrex、英國的Bartington等幾家外國公司海洋磁力儀產(chǎn)品發(fā)展起步早，種 類多、可靠性好，幾乎占據(jù)了全球絕大部分市場。（二）海洋磁力測量要素信息地磁場是空間和時間的矢量場，以觀測點為坐標系的原點，地磁場矢量有7個要素，分別是北向分量 X、東向分量丫、 垂向分量Z、水平分量H、磁偏角D、磁傾角I及總強度F,見 圖1。其中地磁總場F、磁偏角D、磁傾角I稱為“地磁3要素”。海洋磁力儀根據(jù)測量要

12、素不同可分為總場磁力儀、矢量 磁力儀、總場梯度磁力儀和全張量梯度磁力儀?？倛龃帕x測量地磁總磁場強度的大小，一般使用質(zhì)子 磁力儀或光泵磁力儀，多使用光泵磁力儀。矢量磁力儀測量地磁場三分量，一般使用磁通門磁力儀或超導(dǎo)量子干涉磁力 儀，由于定向要求較高，現(xiàn)有系統(tǒng)難以滿足精度要求，因此總場梯度磁力儀測量總場模量的空間變化率（包括垂直梯度、水平梯度、三軸梯度 ）。全張量梯度磁力儀測量地磁 場三分量的在3個方向的空間變化率，包含 9個要素，可實現(xiàn) 單點定位，對于提升目標探測性能具有重要意義。當(dāng)前單探 頭的總場磁力測量技術(shù)已較為成熟，形成比較完善的技術(shù)體 系和測量規(guī)范。很多單位已經(jīng)開發(fā)多探頭平臺，可以完成

13、模 量梯度測量任務(wù)，但尚未大規(guī)模應(yīng)用。全張量梯度測量信息 豐富，是將來的發(fā)展趨勢，但目前尚不成熟。由于海洋磁場在軍事上具有重要應(yīng)用，西方各國都通過 船磁測量完成了本國海域的磁場測量工作，世界上最早的地 磁圖就是船磁測量的大西洋海區(qū)的磁偏角等值線圖。船磁測量主要有兩種形式：一是在無磁性船上安裝地磁儀器；二 是用普通船只拖曳磁力儀在海洋上測量。特別是遠海磁測 時，為了提高測量數(shù)據(jù)精度，還需要把磁力儀沉入海底，獲 得測區(qū)日變改正數(shù)據(jù)。航空磁測是一種速度快、費用省的磁 測方法。美國海軍20世紀50年代就開始全球航空磁場測量計 劃。由于有人飛機航程有限，一般只能執(zhí)行近海的航磁測量 任務(wù)，隨著無人機航磁測

14、量技術(shù)的成熟，遠海航磁測量也將 日趨成熟。船載和航空磁力測量磁測精度高， 但是速度太慢。 衛(wèi)星磁測為全球磁場的高精度快速測量提供了有力的工具， 通過衛(wèi)星磁測，可以在很短的時間內(nèi)獲得全球磁場資料，用 來建立全球磁場模型。我國于20世紀70年代開始對中國附近海域進行航空磁 測，由于測量目的是為地學(xué)基礎(chǔ)調(diào)查和海洋礦產(chǎn)資源開發(fā)服 務(wù)，多數(shù)測量比例尺較小，磁測精度較低。近年來，我國開展了以船載磁測為主，航空磁測為輔的我國海域磁場和部 分重要海區(qū)的精密探測。海洋磁力測量成果一般用地磁圖和地磁模型來描述。地 磁場模型就是利用一定的數(shù)學(xué)方法對地磁場的一種近似和 描述，對人們認識和了解地球內(nèi)部結(jié)構(gòu)、電離層磁層活

15、動、 地磁導(dǎo)航與定向等都有重要作用。目前，國際上公認的地磁 場模型是國際地磁學(xué)與高空物理協(xié)會（IAGA）推出的國際地磁參考場IGRF模型，是廣泛收集衛(wèi)星、臺站、航空和船載磁 力數(shù)據(jù)的研究成果。隨著高精度、長周期的衛(wèi)星和地面臺站 等磁測數(shù)據(jù)的積累和地磁場建模方法的改進，國際上相關(guān)的 研究機構(gòu)也在研究和推出一系列新的地磁場模型，以滿足不 同的應(yīng)用需求。世界地磁場模型（WMM是由美國國家地理情報局（NGA）和英國國防地理中心（DGC）等聯(lián)合發(fā)布的。美國 國防部、英國國防部、北大西洋公約組織（NATO）和國際海道組織（IHO）等都將該模型作為導(dǎo)航和姿態(tài)確定參考系，數(shù)據(jù) 主要來源于Oersted和CHA

16、M等衛(wèi)星的磁測數(shù)據(jù)。球諧分析是研究全球地磁場和地磁圖的主要數(shù)學(xué)方法， 但是受到數(shù)據(jù)和計算能力的限制，導(dǎo)致它的分辨能力有限， 不適宜于處理某一地區(qū)磁場或描述空間尺度較小的磁異常。 安振昌等利用我國歷年來的地磁觀測資料，以及部分國外地 磁臺站資料，以三階泰勒多項式擬合方法建立了中國地區(qū)的 主磁場模型，記為CHINAMF該模型對于中國大陸而言精度 是最高的，但是對于中國海域而言，誤差較大。五、海洋磁力測量技術(shù)發(fā)展展望隨著磁場測量傳感器技術(shù)、無人機平臺技術(shù)、計算手段 和理論方法的不斷發(fā)展和成熟，海洋磁力測量正朝著高精 度、高效率、小型化、多學(xué)科交叉應(yīng)用的方向發(fā)展。測量傳感器趨于高精度、小型化海洋磁力測

17、量從磁飽 和式磁通門磁力儀、核子旋進式質(zhì)子磁力儀等早期產(chǎn)品，一一 步步演進到光泵磁力儀、超導(dǎo)量子干涉磁力儀和原子磁力儀 等更加小型化、精度更高、使用范圍更廣的產(chǎn)品。隨著計算 機技術(shù)的進步，數(shù)據(jù)處理方式也經(jīng)歷了從模擬信號到數(shù)字信 號的轉(zhuǎn)變，小型化、便攜性、數(shù)字化以及高精度是海洋磁力 儀未來的發(fā)展方向。因此，為了滿足各方面的應(yīng)用需求，應(yīng) 該大力支持高精度小型化磁力儀的研究和開發(fā)。海洋磁場信息測量載體趨于多樣化隨著無人機技術(shù)、 無人潛航器技術(shù)、衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，海洋磁測載體呈現(xiàn)出多 樣性的特點，載體包括船載、有人機、無人機、衛(wèi)星、潛航 器等。要統(tǒng)籌海洋調(diào)查、監(jiān)測等多種海洋磁場信息獲取手段， 建立完善的

18、由天基、空基、岸基、?；?、潛基、海底基等多 種數(shù)據(jù)采集手段，形成分布密度合理、監(jiān)視要素齊全的海洋 磁場信息獲取體系。測量模式和測量要素多樣化海洋磁力測量配置模式， 已經(jīng)從單探頭模式發(fā)展到多探頭配置模式；測量要素由單一 要素的測量，發(fā)展過渡到多要素、多分量、全梯度、全張量 測量，大大提高了信息獲取能力，拓展了海洋磁場信息的應(yīng) 用范圍。海洋磁力測量應(yīng)進一步提高總場磁力儀測量的精 度，應(yīng)進一步拓展磁力測量手段，積極發(fā)展航空、衛(wèi)星等磁 力測量手段，豐富矢量、梯度、張量等磁力測量要素。構(gòu)建滿足應(yīng)用需求的海洋磁場模型隨著海洋磁力測 量資料的積累，海洋磁場測量可以為軍事活動提供高精度的 磁場信息為海洋資源勘探、為海底地質(zhì)構(gòu)造、板塊運動及海 底擴張等研究提供基礎(chǔ)資料。但是海洋磁力只是離散點，需 要通過先進的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，構(gòu)建滿足不同的應(yīng)用需求的地 磁場模型和可視化地磁圖，為磁力信息的應(yīng)用和解釋奠定基 礎(chǔ)。另外，不同應(yīng)