光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用

1、光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用广州海洋地质调查局资料处理研究所 刘胜旋摘要 大家都知道，光缆传输的是光信号，光信号是无法产生磁异常的。但是，在实际光缆路由调查工程中，我们在光缆上面用G880-G磁力仪却能测量到明显的磁异常。那么，光缆产生磁异常的原理是什么呢？本文作了两个假设，试图了解光缆产生磁异常的原理。一个是电流-磁场模型，光缆除了包含有许许多多的光纤外，通常还包含有许多转发器，这些转发器必须依靠电流才能正常工作，而这些电流可能是产生磁异常的原因。另一个假设为圆柱体-磁场模型，光缆除包含有许多软性保护材料外，还包含有钢质材料或磁性材料，这些材料如同水平无限延伸的圆柱体一样，也可能是产生磁

2、异常的原因。本文最后还讨论了光缆的定位、定深问题。关键字 光泵磁力仪 光缆 塞曼分裂 光泵作用 磁场总强度(T) 磁异常总强度(Ta) 总磁异常(T) 正常场(T0)一、 引言2000年8月和2001年3月，广州海洋地质调查局与国家海洋局二所、一所合作，先后两次在香港南部海域进行了3条光缆路由调查。该光缆路由为环亚太光缆：香港-上海-韩国-日本-马来西亚-香港的一部分，每一段的中心长度大约为300公里左右。调查项目有：多波束水深测量、侧扫声纳测量、浅层剖面测量、地质取样、磁力测量等。主要目的是为了选择光缆的精确路由进行水深、地形、地貌调查，以及确定光缆路由与以前铺设的缆线（光缆、电报电缆、同轴

3、电缆等）的交点位置，以便于施工时采取一些必要的措施，以免损坏以前铺设的缆线。光泵磁力仪在此次调查中的作用就是为了确认它们的交点位置。二、 G880-G磁力仪的工作原理光泵磁力仪是利用近二十多年新发展起来的光泵技术制成的高灵敏度、高精度磁力仪。可用于国防磁探测、地磁绝对测量及磁法勘探、工程地质调查等方面。1. 能级跃迁电子是按一定的规律分布在不同的电子层轨道上围绕着原子核旋转，在不同电子层上的电子具有的能量是不同的。电子处在稳定的最低能级电子层上时称为基态，处在较高能级时称为激发态。在正常情况下，电子总是处在最稳定的能级状态中。如果电子吸收特定辐射频率的光子（电磁波），可以从基态跃迁到较高能级的

4、激发态；也可以放出特定频率的光子而回到基态。假设两个能级之间的能量差为E，则光子的相应辐射频率为E·h式中h成为普朗克常数。如果光子的辐射频率满足不了这一关系，电子就不能跃迁，这种现象叫能级跃迁。2. 塞曼分裂与光泵作用碱金属（钾、钠、铷、铯等）的最外层只有单个不成对的电子（价电子）。在正常情况下，原子的总磁矩为零。当加上外部磁场（被测的地磁场）后，在外部磁场的作用下，原子的一个能级分裂为几个亚能级，亚能级之间的能量差与所加的外部磁场成正比，这种现象叫塞曼分裂。如果采用光学技术，选择出一定频率的光照射在含有碱金属蒸汽的吸收室中，价电子吸收这种频率的光从基态亚能级跃迁到激发态亚能级。不

5、稳定的激发态电子又很快地放出光子自然地回到任一基态亚能级上，有些落到不能激发的非吸收亚能级。这个过程反复重复着，落到这个非吸收亚能级的原子越来越多，其他亚能级的原子就越来越少。结果有可能使所有的原子都集中到这个非吸收亚能级上，有规则的排列，在也不吸收任何光。这种利用光把原子泵激到特定的亚能级的过程叫做光泵作用。3. 跟踪式铯光泵磁力仪吸收室滤波片凸镜偏振片调制场凸镜光敏元件铯灯高频激发源共振线圈图1 跟踪式光泵磁力仪探头装置示意图它的探头装置如图1所示。首先，高频激发源产生高频激发场，对吸收室内的铯蒸汽进行激发，使铯蒸汽原子变为亚稳定态，并具有磁性。同时，高频激发场对铯灯进行激发，使其发出一定

6、频率的铯光，然后与吸收室内的亚稳定铯蒸汽相互作用，产生光泵作用。光泵作用的结果是吸收室内的原子磁矩定向排列，此后从铯灯发出的光能最大限度地通过吸收室，经凸镜聚焦后，照射到光敏元件上，此时光电流最强。然后，对吸收室外的共振线圈通以交变电流，使之产生一个垂直于被测外磁场的高频交变磁场。当交变磁场的频率与电子两个亚能级之间的跃迁频率相等时，交变磁场与定向排列的原子磁矩相互作用，从而打乱了吸收室内原子磁矩的排列。此时，由铯灯射来的圆偏振光又会与杂乱排列的原子磁矩相互作用，不能穿透吸收室，此时光电流最弱。测定此时的频率f，而这个频率f与外磁场H成正比。当外磁场不太强时，对于铯133，这个频率可以表示为：

7、f3.49828H故 H=0.285854f()由此可见，只要准确地测出交变磁场的共振频率f，就可以测出磁场强度来。三、 光缆磁场模型的假设大家都知道，光缆传输的是光信号，光信号是无法产生磁场的，那么，光缆是如何产生磁异常的呢？让我们首先作以下假设。图2 标准光缆截面图一根标准的陆地光缆如图2所示。但对于海底光缆，因其铺设环境的特殊性，它除了由光纤及一些软性保护材料组成外，通常还有钢质保护层和电流导线。有两种可能可以使光缆产生磁力仪能够测量到的磁异常，第一就是光缆包含钢质材料或磁性材料，因此地磁场的磁力线集中通过光缆而产生磁异常。如果以铜质材料取代钢质材料则无磁异常产生。第二，每一条海底光缆都

8、安装有许多转发器，这些转发器必须依靠电流才能正常工作，但它的回流不是通过另外一根导线而是通过大地来完成的。因此，有电流通过光缆则可以产生外部磁场，如果想用磁力仪测量到该磁异常，则通过光缆的电流必须为直流电或者低频电流（低于磁力仪的采样率）。1. T的物理意义现在，不论是航空磁测，还是海洋磁测，都是直接测量磁场总强度T，而后以总磁异常 T成图。磁异常总强度Ta是磁场总强度T与正常场T0的矢量差，即：TaTT0而T是T与T0的模量差，即： （11）图3 T与Ta的关系图T既不是Ta的模量，也不是Ta在T0的投影（如图3）。根据矢量三角形的余弦定理上式中的是Ta与T0间的夹角。根据（11）式，上式可

9、写为对上式两端取平方，并除以T02，则得 （12）当Ta<<T0时，上式中的平方项可略去。例如，在本例中，T046000nT，若Ta2000nT时，则：（Ta/T0）20.00198。又因T<Ta，故（T/T0）2项也可以略去。因此，（12）式可简化为：TTacos=Tacos(Ta，T0) （13）上式表明，当磁异常总强度Ta不大时，可以近似把T看作时Ta在T0方向得投影；海洋磁力测量中一般Ta2000nT，在进行高精度地面磁测的地区，一般Ta也不大。因此将T近似看作Ta在T0方向得投影，有足够的精度。另外，T0在相当大的区域内，方向变化不大(10000km2内变化1

10、76;左右)，因此，可以把T看作是Ta在固定方向的投影。在光缆磁异常电流模型中我们将利用到此结论。2. 圆柱体模型当光缆含有钢铁材料或磁性材料，平铺设于海底时，可以把它看作是一条走向水平、无限延伸的圆柱体。则（14）式中：ms：有效磁化强度。图4 圆柱体模型磁异常曲线定性示意图is： 有效磁化倾角。I： 正常场（T0）磁倾角。Z： 光缆的埋深。x： 观测点至光缆的水平距离。注：单位为SI制。对于本例，假设I=30°。由（12）式绘制出光缆圆柱体模型的磁异常曲线定性示意图如图4中虚线所示。3. 电流模型由于光缆周围的介质均为非磁介质，当通过光缆的电流为直流电或者低频电流时，光缆中的线电

11、流在其周围空间产生的磁场可表示为：由于磁力仪测得的是在T0方向的分量T（如图5）。因此即 （15）式中：T：电流磁场H在T0方向的分量。（单位为nT）I： 光缆的电流强度。（单位为安培）x：观测点P至光缆的水平距离。(单位为cm)PzxIZX图5 光缆横剖面内磁场分布TirHT0Oz：光缆的埋深。(单位为cm)：电流磁场H与水平面之间的夹角。i：正常场T0方向与水平面之间的夹角。注：单位为CGSM制。由（12）式绘制出光缆电流模型的磁异常曲线定性示意图如图6所示。由图可见，在磁倾角为30°的区域，该磁场曲线（虚线）与圆柱体磁场模型的磁场曲线除了都为南正北负外。其它特征均截然相反，如当

12、磁倾角为0°时，圆柱体模型为关于y轴对称的负异常，而电流模型则为关于y轴对称的正异常；90°时，圆柱体模型为关于y轴对称的正异常，而电流模型则为关于原点对称的南正北负异常。图6 电流模型磁异常曲线定性示意图四、 资料采集与处理图7 磁力测量测线布设图调查区的范围为114°15E115°15E，19°45N22°15N，磁倾角的变化范围为27°31°，磁场正常场的范围为43600nT44400nT。水深及声纳测量的测线以设计路由为中心线，在左右各500米的范围内平行于中心线且必须达到全覆盖的要求。磁力测量的测线根据不

13、同的缆线走向基本垂直于已有的缆线，每个交点均设置三条测线，每条测线的长度大约为1000米左右(图7)。在野外工作时，为了测量得到较强的磁异常信号，必须把探头下沉到较深的深度，使其与海底基本保持等距离。在水较深的地方（如超过300米），因磁力仪电缆长度的限制（电缆长度仅为400米），还需给探头添加铅块，这样才能采集到高质量的资料。探头与海底的距离大约保持在20-30米左右，为了控制探头在这个深度范围内，办法有三个：一是通过增(减)船速来控制；二是通过 收(放)电缆长度来控制；第三个就是通过添加适当的铅块来控制。在两个航次的调查中，都发现的一种奇怪的现象，那就是在电报电缆、同轴电缆等上面均没有发现

14、明显的磁异常，而光缆上面基本都发现有明显的磁异常（除一两个交点的测线外）（图8）。至于为什么在电报电缆、同轴电缆上面没有磁异常，由于我们对它们的结构、工作原理等都不了解，因此也就无法解释这种现象。至于为什么又在光缆上面存在明显的磁异常，这正是本文所要试图探讨的问题。图8 光缆引起磁异常曲线图（粗虚线为以前铺设的光缆）由于光泵磁力仪测量得到的是磁场总强度T，按常规的处理方法应该进行正常场改正、船磁方位改正、日变改正后得到总磁异常T，最后用T来绘制各种图件。但由于该路由调查不要求生成各种正式的图件，只要求确定设计路由与各种缆线的交点即可，因此没有进行上述的各种处理。图8 的绘制方法是，以各交点的三

15、条测线的总磁场强度平均值为基值，各观测值减去该基值后即为粗略的T值，然后用于绘制平面剖面图（图8）。在图8中带箭头的黑线为航迹线及航行，磁异常曲线的振幅在8nT左右，粗虚线为以前铺设的光缆位置。由图可见，不论是近南北向的测线（左），还是近东西向的测线（右），它们的异常曲线形态均为南负北正型。左图接近于对称正异常，右图接近于南负北正原点对称异常。当拿图8跟图4、图6相比较时，却发现它们根本无法比较：图8为南负北正型，图4、图6为南正北负型。经分析，造成这种现象的原因可能有两个：一是图8的资料没有经过各项改正；二是光缆的磁场产生机制既不是圆柱体模型，也不是电流模型，而是另外一种全新的模型。对于第一

16、点，由于测量是在一个较小的范围内（测线长度仅为1公里左右）进行，因此，对于测线上的各点，其正常场可以看作是一个常数。并且测量是在较短的时间内（半个小时以内）完成的，因此磁场日变化对它们的影响也是微小的（当然在排除没有磁暴的情况下）。船磁方位改正只是对不同的测线有影响，对相同测线的各测点影响是一致的。因此，综合如上分析，光缆的磁场产生机制很可能是第三种模型引起的。至于第三种模型是一种什么样的模型，由于我们对光缆的认识较少以及缺少相关资料，因此我们暂时无法得知，也无法继续深究。五、 光缆的定位与定深由于光缆调查不同于陆地上的一般地下管线调查，地下管线调查一般测量的是Hx和（或）Hz分量，即磁场的水

17、平分量和（或）垂直分量，得到的是标准对称异常然后根据它们的极值点、零值点、极值点（半极值点）之间的距离等特征(点)来判断管线的位置和埋深。但是光泵磁力仪在海底光缆调查时测量得到的是磁场总强度T，而后以总磁异常T成图，因此磁异常曲线不一定是对称异常。因此只能参考上述的方法来进行光缆的定位，采用的方法为(参见图9)：1 对于那些关于y轴对称的异常曲线，极值点在航迹线上的投影点就是光缆在海平面的投影点(小图A)。2 对于那些关于原点对称的异常曲线，曲线的拐点在航迹线上的投影点就是光缆在海平面的投影点(小图B)。图9 光缆的定位原则示意图ABCD3 对于那些非对称的异常曲线，则根据其与上述两种对称曲线

18、的接近程度来确定光缆的定位点。如与y轴对称的曲线较接近，则其定位点较接近极值点(小图C)；如与原点对称的曲线较接近，则其定位点较接近拐点(小图D)。4 所有定位点的连线方向就是所测光缆的走向。5 一般来说，光缆的埋深大约为0.8-1米左右，因此无需根据曲线进行光缆埋深的确定。在图8中，光缆的定位如磁异常曲线与航迹线之间的垂直线段所示。由图可见，解释的定位位置与以前铺设的光缆走向能很好地吻合起来：最大误差为50米左右，大部分都在10米以内。除去那条误差为50米的测线可能为放缆计数误差外，其余的光缆定位精度足以满足各种近海海洋工程的应用。六、 结束语近年来，随着通讯业的迅速发展，仅仅在陆地上进行各种通讯缆线的铺设已经不能满足人们的需求了，因此在海底铺设大容量、超距离的通讯光缆，必成为一种发展趋势。但是，一旦光缆铺设于海底后，既无法在海面上设置醒目、固定的标志，又不可能投入很大的力量在周围看护。为了避免被后来的光缆铺设施工毁坏（铺设的光缆往往纵横交错，且深度大致相当，均为0.8-1米左右），以及光缆被毁坏后进行快速抢修，因此，必须研究出一种能够准确定位光缆位置的方法。光缆探测虽然属于地下管线探