海洋磁力测量技术应用及发展现状

1、海洋磁力测量技术应用及发展现状一、引言海洋是地球最广阔的区域，占地球表面积的71%,目前海底还有95%的未知世界。21世纪是海洋世纪，着力打造“向 海经济”，搞好“ 21世纪海上丝绸之路”，发展海洋磁力测 量技术是海洋测量技术的重要组成部分。海洋磁力测量技术是认识和开发海洋的重要手段，海洋 磁场信息是海战场环境信息建设的重要组成部分，也是地球 物理场和海洋地质科学研究的主要内容之一。海洋磁力测量 的对象主要是地磁场或地磁异常场。地磁场是随时间和空间 而变化的矢量场，海洋磁力测量技术属于弱磁场探测技术， 海洋磁力测量的任务就是通过各种手段获取海洋区域地磁 场的分布和变化特征，为进一步研究、解释和

2、应用海洋磁力 信息提供基础数据支撑。海洋磁力测量在军事领域和民用领域都有广泛应用，高 精度的海洋磁场信息可为地震监测与研究、海底地质研究、 海洋矿产资源勘探、海洋沉船打捞搜救、海洋油线管道调查、 水下磁性目标探测、导弹地磁匹配导航、水下潜器自主导航 等方面提供重要的基础资料。海洋磁力测量技术涉及到磁力仪传感器技术磁场测量数据的采集、磁力测量信息的处理、磁场模型的建立以及磁 力成果与应用需求的结合等多方面的问题。当前我国海洋磁 力测量技术处在发展阶段，我国海域和部分重要海区精密海 洋磁力测量，还是以船载地磁总场测量为主，航空磁力测量 为辅。磁场信息获取手段不完备、测量平台效率低、测量要 素不齐全

3、、测量区域覆盖不全等问题普遍存在。本文结合海 洋磁力测量技术在海洋工程和军事方面的应用需求，对海洋 磁力测量技术发展现状进行了评估对发展前景进行了展望。二、海洋磁力测量技术在海洋工程上的应用近年来随着海洋磁力测量相关技术的不断发展，技术越来越成熟，海洋磁力测量技术在民用领域应用范围越来越 广。比如，海洋磁力测量发现了海底条带状磁异常，为板块 构造学说提供了重要依据。海洋磁力测量技术在海洋工程开 发上有广阔的空间。（一）海底光缆铺设中的应用海洋磁力探测技术是通过探测海底线缆引起的地球磁 场变化，从而实现对海缆的探测和定位。地磁场分布较为复 杂，在易受海区磁场（如海床上有海砂矿等之类的磁性物质）干

4、扰的区域外，可探测埋设较浅的（小于1m）海缆，其相对地磁场（2500065000nT）的变化量约为50nT,可以据此探测海 底电力电缆、海底通信电缆和海底光缆。其他采用饱和式磁 力仪探测、质子磁力仪探测、光泵磁力仪探测等方法其均可 达到很好的探测精度，能够对海缆故障点和敷设路由进行探 测和定位。（二）在海底油气管线维修的应用我国海洋石油产业发展迅速，建立了很多石油平台并铺 设了大量的海底管线（输油管线、输气管线及注水管线等 ）， 由于海水腐蚀、海洋生物损害等，部分管道出现损害和抗力 衰减，造成油气泄露，产生经济损失并会对环境产生危害， 因此探测现有海底管线铺设现状及准确位置对海底管线及 时维修

5、和实时更新十分重要。由于海底管线基本都是较粗的 铁质管，其产生的磁场比较大，有几十到几百纳特的磁异常， 利用海洋磁力测量技术对油田平台周边海底管线进行探测， 探测效果明显。（三）在海底废弃军火及其他磁性物体方面的应用在海洋战争中，近海遗弃的水雷和炮弹，对海洋工程和 正常工作构成威胁。因此采用磁力测量技术，通过布设较密 的观测网，及时发现磁异常点，对海洋工程施工和未知海域 航行进行前期排查处理，为海洋区域的安全提供保障。大型的海洋工程必须确保其地基稳定可靠，与地面飞机 场跑道类似，海上相关工程也需要对地磁环境进行测量，确 保区域稳定性。应用海洋磁力测量技术既可以排查海底沉船 残骸等有害障碍物，又

6、可以有效避免将重型工程建设在海底 矿产之上，影响日后开发使用。另外最重要的是可以了解工程区域内断层及其他地质构造情况。利用海洋磁力测量技 术结合地震勘探和钻孔资料，对地质异常进行地质解释。（五）在环境监测方面的应用海底及海面污染物堆积会对海洋生物和人类日常海洋 活动产生严重的影响，因此各国都在积极开展海洋环境治 理，相较于传统的密集取样， 采用海洋磁力测量能够大范围、 宽海域、多层次的对海洋环境污染情况进行较为全面的监测 和掌控。三、海洋磁力测量技术在军事方面的应用海洋磁力信息是海军海战场环境建设必不可少的要素， 海洋磁性目标探测识别技术、海洋地磁匹配导航等关键技术 的应用都需要海洋磁力测量技

7、术及海洋磁测资料的支撑。（一）在探潜中的应用海洋磁力测量技术可以有效获取到水下及水面磁场、变 化信息，对海洋中的磁性物体 （潜艇、水雷、舰船等）进行探 测，可以在已知背景场的基础上对磁异常现象进行分析，探 测潜艇活动情况，可以采用大深度目标探测识别技术，还可 以与航空磁力测量相结合，探测复杂背景场条件下的潜艇目 标。世界上先进的航空磁探测系统可实现在潜艇上方300800m处对其进行准确定位。（二）在潜艇消磁隐身中的应用为了应对磁异常探测的威胁世界上军事强国均投入大 量财力对潜艇磁隐技术进行研究，以提升其生存能力。潜艇 消磁集中在控制或减少潜艇磁场方面，由于潜艇本身具有较 大的磁场，使其接近地球

8、背景场信息很难，加上不同海域其 本身磁性变化未知，因此消除固定磁场这种方法很难保证消 磁效果。现代消磁技术已采用磁抵消技术，即通过海洋磁力 测量技术实时获取当前海域的磁场信息，经过地磁解算运用 消磁设备进行抵消潜艇本身磁性，达到潜艇消磁隐身目的。（三）在舰艇导航和武器制导中的应用地磁导航是海洋军事应用领域之一，海洋磁力测量技术 的发展实现了地磁导航与 GNSS惯性系统等结合，为导航与 制导提供了更加先进科学的选择，其具有无源、无辐射、全 天时、全天候、全地域、体积小、能耗低等优点。潜艇、无 人潜航器可依托地磁导航实现长航时，高精度水下航行；巡 航导弹可依托地磁导航实现跨海制导定位；同时，地磁导

9、航 还应用在走航式水雷导航系统中。四、海洋磁力测量关键技术发展现状（一）海洋磁力传感器技术海洋磁测最早可追溯到 20世纪50年代，Vacquier等人采 用磁通门磁力仪在大洋进行地磁场测量。随着传感器技术的 发展，磁力测量系统由简单到复杂，灵敏度和精密度越来越 高。根据测量原理不同，磁力测量系统主要分为感应线圈式 磁力仪、磁通门磁力仪、核子旋进质子磁力仪、Overhauser效应质子磁力仪、光泵磁力仪、原子磁力仪、超导磁力仪等。20世纪初，早期的海洋磁力测量主要采用感应式磁力仪 进行磁偏角测量。20世纪40年代，磁通门磁力仪研制成功， 极大地提高了磁测精度。磁通门磁力仪是矢量磁力仪，可以 测量

10、三分量，但是相比量子磁力仪，测量精度不能满足高精 度磁测的需求。随着量子磁力测量技术的发展和成熟，20世纪70年代开始，海洋磁测大量采用质子磁力仪和光泵磁力。质子磁力仪只能点测，噪声水平约为 0.1nT/Hz 0.1Hz , Overhauser效应质子磁力仪可以连续测量，其噪声水平约为0.01nT/Hz 0.11.0Hz，光泵磁力仪也可以连续测量，其噪声水平约为0.001nT/Hz 0.1Hz。近些年来，超导量子干涉磁力仪和 原子磁力仪的研发也十分活跃。超导量子干涉磁力仪是一种 矢量磁力仪，它的优势是灵敏度高。在液氦温度下（4K）用低温超导体制成的LTCSQUIID其灵敏度可达1fT / H

11、z ，测量 频带宽。原子磁力仪完全利用光学方法测量磁场，灵敏度达 到0.54fT/Hz，空间分辨率达到毫米级。当前海洋磁力测量主要以质子磁力仪和光泵磁力仪为主，美国的Geometries、加拿大的Scintrex、英国的Bartington等几家外国公司海洋磁力仪产品发展起步早，种 类多、可靠性好，几乎占据了全球绝大部分市场。（二）海洋磁力测量要素信息地磁场是空间和时间的矢量场，以观测点为坐标系的原点，地磁场矢量有7个要素，分别是北向分量 X、东向分量丫、 垂向分量Z、水平分量H、磁偏角D、磁倾角I及总强度F,见 图1。其中地磁总场F、磁偏角D、磁倾角I称为“地磁3要素”。海洋磁力仪根据测量要

12、素不同可分为总场磁力仪、矢量 磁力仪、总场梯度磁力仪和全张量梯度磁力仪。总场磁力仪测量地磁总磁场强度的大小，一般使用质子 磁力仪或光泵磁力仪，多使用光泵磁力仪。矢量磁力仪测量地磁场三分量，一般使用磁通门磁力仪或超导量子干涉磁力 仪，由于定向要求较高，现有系统难以满足精度要求，因此总场梯度磁力仪测量总场模量的空间变化率（包括垂直梯度、水平梯度、三轴梯度 ）。全张量梯度磁力仪测量地磁 场三分量的在3个方向的空间变化率，包含 9个要素，可实现 单点定位，对于提升目标探测性能具有重要意义。当前单探 头的总场磁力测量技术已较为成熟，形成比较完善的技术体 系和测量规范。很多单位已经开发多探头平台，可以完成

13、模 量梯度测量任务，但尚未大规模应用。全张量梯度测量信息 丰富，是将来的发展趋势，但目前尚不成熟。由于海洋磁场在军事上具有重要应用，西方各国都通过 船磁测量完成了本国海域的磁场测量工作，世界上最早的地 磁图就是船磁测量的大西洋海区的磁偏角等值线图。船磁测量主要有两种形式：一是在无磁性船上安装地磁仪器；二 是用普通船只拖曳磁力仪在海洋上测量。特别是远海磁测 时，为了提高测量数据精度，还需要把磁力仪沉入海底，获 得测区日变改正数据。航空磁测是一种速度快、费用省的磁 测方法。美国海军20世纪50年代就开始全球航空磁场测量计 划。由于有人飞机航程有限，一般只能执行近海的航磁测量 任务，随着无人机航磁测

14、量技术的成熟，远海航磁测量也将 日趋成熟。船载和航空磁力测量磁测精度高， 但是速度太慢。 卫星磁测为全球磁场的高精度快速测量提供了有力的工具， 通过卫星磁测，可以在很短的时间内获得全球磁场资料，用 来建立全球磁场模型。我国于20世纪70年代开始对中国附近海域进行航空磁 测，由于测量目的是为地学基础调查和海洋矿产资源开发服 务，多数测量比例尺较小，磁测精度较低。近年来，我国开展了以船载磁测为主，航空磁测为辅的我国海域磁场和部 分重要海区的精密探测。海洋磁力测量成果一般用地磁图和地磁模型来描述。地 磁场模型就是利用一定的数学方法对地磁场的一种近似和 描述，对人们认识和了解地球内部结构、电离层磁层活

15、动、 地磁导航与定向等都有重要作用。目前，国际上公认的地磁 场模型是国际地磁学与高空物理协会（IAGA）推出的国际地磁参考场IGRF模型，是广泛收集卫星、台站、航空和船载磁 力数据的研究成果。随着高精度、长周期的卫星和地面台站 等磁测数据的积累和地磁场建模方法的改进，国际上相关的 研究机构也在研究和推出一系列新的地磁场模型，以满足不 同的应用需求。世界地磁场模型（WMM是由美国国家地理情报局（NGA）和英国国防地理中心（DGC）等联合发布的。美国 国防部、英国国防部、北大西洋公约组织（NATO）和国际海道组织（IHO）等都将该模型作为导航和姿态确定参考系，数据 主要来源于Oersted和CHA

16、M等卫星的磁测数据。球谐分析是研究全球地磁场和地磁图的主要数学方法， 但是受到数据和计算能力的限制，导致它的分辨能力有限， 不适宜于处理某一地区磁场或描述空间尺度较小的磁异常。 安振昌等利用我国历年来的地磁观测资料，以及部分国外地 磁台站资料，以三阶泰勒多项式拟合方法建立了中国地区的 主磁场模型，记为CHINAMF该模型对于中国大陆而言精度 是最高的，但是对于中国海域而言，误差较大。五、海洋磁力测量技术发展展望随着磁场测量传感器技术、无人机平台技术、计算手段 和理论方法的不断发展和成熟，海洋磁力测量正朝着高精 度、高效率、小型化、多学科交叉应用的方向发展。测量传感器趋于高精度、小型化海洋磁力测

17、量从磁饱 和式磁通门磁力仪、核子旋进式质子磁力仪等早期产品，一一 步步演进到光泵磁力仪、超导量子干涉磁力仪和原子磁力仪 等更加小型化、精度更高、使用范围更广的产品。随着计算 机技术的进步，数据处理方式也经历了从模拟信号到数字信 号的转变，小型化、便携性、数字化以及高精度是海洋磁力 仪未来的发展方向。因此，为了满足各方面的应用需求，应 该大力支持高精度小型化磁力仪的研究和开发。海洋磁场信息测量载体趋于多样化随着无人机技术、 无人潜航器技术、卫星技术的发展，海洋磁测载体呈现出多 样性的特点，载体包括船载、有人机、无人机、卫星、潜航 器等。要统筹海洋调查、监测等多种海洋磁场信息获取手段， 建立完善的

18、由天基、空基、岸基、海基、潜基、海底基等多 种数据采集手段，形成分布密度合理、监视要素齐全的海洋 磁场信息获取体系。测量模式和测量要素多样化海洋磁力测量配置模式， 已经从单探头模式发展到多探头配置模式；测量要素由单一 要素的测量，发展过渡到多要素、多分量、全梯度、全张量 测量，大大提高了信息获取能力，拓展了海洋磁场信息的应 用范围。海洋磁力测量应进一步提高总场磁力仪测量的精 度，应进一步拓展磁力测量手段，积极发展航空、卫星等磁 力测量手段，丰富矢量、梯度、张量等磁力测量要素。构建满足应用需求的海洋磁场模型随着海洋磁力测 量资料的积累，海洋磁场测量可以为军事活动提供高精度的 磁场信息为海洋资源勘探、为海底地质构造、板块运动及海 底扩张等研究提供基础资料。但是海洋磁力只是离散点，需 要通过先进的数据处理技术，构建满足不同的应用需求的地 磁场模型和可视化地磁图，为磁力信息的应用和解释奠定基 础。另外，不同应