经验交流▏G－882G 型海洋磁力仪在海洋工程勘察中的性能分析与应用
伴随国家海洋发展战略的实施发展，海洋磁力仪的应用更加广泛，根据实际应用情况来看，常见的海洋磁力仪类型主要是质子磁力仪和光泵磁力仪，都是电子仪器的一种。结合不同的作业施工条件需要选择不同型号的海洋磁力仪(如表1所示)。其中，标准的质子旋进海洋磁力仪是最早的海洋磁力仪，灵敏度很高，没有死区，拥有进向误差，质子磁力仪的计量精确度高、技术发展成熟、开发成本费用低，适合应用在采样率比较低的绝对测量操作中。Overhauser海洋磁力仪具有高灵敏度、没有死区、价格廉价等方面的特点，采样率达到了4Hz，操作简单，适合应用在工程测量和科研物理调查研究工作中。光泵式海洋磁力仪灵敏度达到了0.01nT，梯度的容忍度超过了质子旋进式磁力仪，速率达到了10Hz。但是受工作原理的影响，在应用的过程中容易出现死区和进向误差。光泵磁力仪具有噪声低、采样率高的特点，适合应用在对灵敏度和采样率要求比较高的相对测量操作中，但是具有耗能高等的应用局限。
表1 G－882G型海洋磁力仪和其他海洋磁力仪对比分析
|
型号 |
G877 |
Overhauser |
G882G |
|
工作原理 |
标准质子旋进 |
质子旋进 |
铯光泵 |
|
分辨率 |
0.1 |
0.001 |
0.001 |
|
灵敏度 |
0.1～3Hz |
0.01 |
0.01～1Hz |
|
绝对精度 |
＜1 |
0.2 |
±2 |
|
梯度容忍度 |
－ |
＞1000 |
＞20000 |
|
死区 |
无 |
无 |
0～15,75～90 |
|
进向误差 |
±1 |
无 |
±0.5 |
|
温度漂移 |
－ |
无 |
0.05 |
|
耗电 |
48～64 |
1～3 |
150 |
|
采样速度 |
0.1～3 |
0.1～4 |
0.1～10 |
本文以G－882G型海洋磁力仪为例，分析了光泵磁力仪的工作原理，对G－882G型海洋磁力仪进行技术指标分析，并介绍其在海洋工程勘察中的应用。
一、G－882G型海洋磁力仪工作原理
光泵磁力仪工作原理具体如图1所示。根据图1发现光泵磁力仪的核心部件是含有碱金属蒸汽的容器。光源产生之后通过透镜、滤镜和偏振片形成红外圆偏振光，红外圆偏振光在经过吸收室之后将所有的光束聚集在一个红外光检测仪器上。红外圆偏振光在到达吸收室之后，光子会和碱金属原子发生碰撞。如果碱金属原子中含有的光子和自旋方向一致，光子在被收集之后会从一个能级跳跃到一个更高层次的能级。伴随光子的被捕获，光束的强度也会被削弱，在碱金属原子不能吸收光子的时候，吸收室内的光线将会大幅度减少。在这个时候，如果具有一定频率的振荡电磁场进入到室内，原来的原子将会被重新激发，由此吸附到相应的光子方向上。这种特定频率(拉莫尔频率)和环境磁场之间存在一定比例关系。具体计算是环境磁场＝特定碱金属常熟×拉莫尔频率。
图1 光泵磁力仪工作原理
二、G－882G型海洋磁力仪的性能指标分析
海洋磁力仪是由水下拖鱼、拖缆和甲板单元共同组成。磁传感器会对地磁场的磁通密度进行采集，压力传感器能够对拖鱼的入水深度进行计算分析，回声测声仪测定拖鱼的离底高度。海洋磁力仪的性能指标参数较多，结合海洋磁力测量工作的特点，海洋磁力仪器的性能指标主要包括采样率、带宽、显示分辨率、分辨率、四阶差分静态噪声、峰峰值噪声、功率谱噪声、灵敏度、绝对误差、转向差。
为了检验G－882G型海洋磁力仪的性能，在实际工作中应用八方位船磁影响试验、往返重复测线和正交测线数据信息进行测量，测量历程达到了500km。八方位船磁影响试验测线分布情况如图2所示。正交测线分布情况如图3所示。
图2 八方位船磁影响试验测线分布情况
图3 正交测线分布示意图
G－882G型海洋磁力仪主拖鱼和从拖鱼的动态噪声测试结果如表2所示。G－882G型海洋磁力仪主拖鱼和从拖鱼的交叉重复一致性测试结果如表3所示。G－882G型海洋磁力仪主拖鱼和从拖鱼的往返重复一致性(内符合精度)测试结果如表3、表4所示。G－882G型海洋磁力仪主拖鱼和从拖鱼的往返重复一致性(外符合精度)测试结果表如表5所示。
表2 G－882G型海洋磁力仪主拖鱼和从拖鱼的动态噪声测试结果表
|
测试对象 |
主拖鱼 |
从拖鱼 |
|
测线个数 |
24 |
24 |
|
最大动态噪声 |
0.041nT |
0.054nT |
|
最小动态噪声 |
0.024nT |
0.025nT |
|
平均动态噪声 |
0.028nT |
0.032nT |
|
备注 |
一级数据质量标准 |
动态噪声0.08nT |
表3 G－882G型海洋磁力仪主拖鱼和从拖鱼的交叉重复一致性(内符合精度)测试结果表
|
测试对象 |
主拖鱼 |
从拖鱼 |
|
交叉点个数 |
49 |
49 |
|
最大不符合 |
+5.26nT |
+5.36nT |
|
最小不符合 |
－0.69nT |
－6.81nT |
|
内符合精度 |
±1.84nT |
±1.86nT |
|
备注 |
一级数据质量标准 |
从拖鱼内符合精度超过±2nT |
表4 G－882G型海洋磁力仪主拖鱼和从拖鱼的往返重复一致性(内符合精度)测试结果表
|
测试对象 |
主拖鱼 |
从拖鱼 |
|
测线航向 |
主拖鱼向南:主拖鱼向北 |
从拖鱼向南:从拖鱼向北 |
|
重合点的数量 |
354 |
356 |
|
内符合精度 |
±0.81nT |
±1.11nT |
|
备注 |
一级数据质量标准 |
内符合精度超过±2nT |
表5 G－882G型海洋磁力仪主拖鱼和从拖鱼的往返重复一致性(外符合精度) 测试结果表
|
测试序号 |
1 |
2 |
|
测线航向 |
主拖鱼向南:主拖鱼向北 |
从拖鱼向南:从拖鱼向北 |
|
重合点的数量 |
398 |
341 |
|
内符合精度 |
0.87nT |
1.13nT |
|
备注 |
一级数据质量标准 |
内符合精度超过±2nT |
在测试G－882G型海洋磁力仪应用测量的过程中需要注意把控好以下几方面工作:第一，投放拖鱼之前需要对各个接头的连接问题进行检查，特别是要严格按照有关标准检查水下接头，保证水下接头的密封性；第二，保证电源电压电流运行的正常，在进行电缆收放的过程中需要及时切开仪器的电源，并安排专业的人员进行指挥操作，严格避免传感器和船体的碰撞。传感器要在水下的一定深度以上，从而有效减少海浪对传感器的干扰；第三，对于G－882G型海洋磁力仪模拟记录数值的变化要密切管管，如果G－882G型海洋磁力仪的曲线出现变化需要及时检查是因为仪器内部还是外部干扰导致的；第四，传感器不能受到任何磁性污染，在收回传感器的时候需要及时应用清水进行清洗处理，收回传感器之后要将其放置在阴凉位置上。
三、G－882G型海洋磁力仪在海洋工程勘察中的应用
东海大桥轴线桥墩桩基不可避免地经过光缆的路由，为了能够准确测出光、电缆的位置，应用G－882G型海洋磁力仪在芦潮港和大小洋山之间进行磁力探测。经过探测发现，海底通信光缆能引起8～20nT磁异常以及2000nT的强磁异常。
⒈海上磁力探测
第一，测量仪器。G－882G型海洋光泵磁力仪是以光泵技术为支撑发展起来的高灵敏度、高精确的海洋磁力仪，被人们应用在探测水下潜艇，进行地磁测量和地质调查；第二，测量船只。测量船的选择必须是小吨位和无磁性或弱磁性的木质小渔船。第三，测线安排。测线安排在磁测作业区域测线间距5m的位置上。第四，海上定位。高精度的磁力测量需要高精度的定位设备，经过分析文章使用DGPS RTK(RealTime Kinematic)定位设备，差分信号有效作用距离为30km。
⒉光、电缆磁场模型的假设
海底光缆由于海洋环境的特殊性，材料的制作需要额外使用抗压性、抗渗透性的材料。海底光缆截面具体如图四所示。根据图4发现，海底光缆产生磁异常的原因主要有两种:第一，钢丝、钢管等材料均为铁磁性物质，都能产生磁异常；第二，为了能使光缆信号远距离传输，每条海底光缆都安装有许多转发器，但是这些转发器在一定电流的作用下才能正常工作。
图4 海底光缆截面
⒊磁场异常特点的分析
通信光缆有明显的磁异常反映，磁异常幅值一般在8～20nT之间，磁异常的幅值大小，异常形态特征均与水深和光缆的埋藏深度及加载电流的方向有关。海底动力电缆所产生的磁强大，在深度10m的时候能够引发2000nT幅值的强磁异常，由于加载有强电流，所以在电缆周围形成一个强磁场。导线所产生的理论磁场是H＝2I/10R。加载电流的导体磁场与电流大小成正比，而与距离成反比。
四、结语
海洋磁力仪的应用对海洋工程勘测起到了重要作用，显示出自身良好的精确度、准确度、深度特点，被人们广泛的应用在海洋工程磁力勘测工作中。但从海洋磁力仪的实际应用情况上来看，现阶段的海洋磁力仪测量规范中缺乏相关指标检验方法和要求。为此，文章结合海洋磁力仪的类型和特点，结合有关测量规范指标具体计算了G－882G型海洋磁力仪的动态噪声、内符合精度、外符合精度等指标信息，在对计算结果进行综合分析发现，G－882G型海洋磁力仪基本达到了一级指标的要求，能够为航海事业发展提供有力的支持。
【作者简介】本文作者张龙，1988年出生，男，山西平遥，本科，天津水运工程勘察设计院，助理工程师，主要研究方向为海洋测绘。本文来自《自动化与仪器仪表》（2018年第6期），参考文献略，用于学习与交流，本次编发取得了李海森教授的同意，版权归作者与出版社共同拥有。