海洋磁力仪拖体入水深度试验与分析

缪 峰1 ，许春艳1 ，任来平2 ，范 龙2，3 ，Βιβλιοθήκη Baidu太旗2
（ 1. 海军东海舰队司令部，浙江 宁波 315122； 2. 海军海洋测绘研究所，天津 300061； 3. 解放军信息工程大学 测绘学院，河南 郑州 450052）
摘要： 拖体入水深度是水下拖曳作业的主要参数，其取决于拖体自身重量、拖缆长度和船速。通过 G882TVG
物理调查［S］． 北京： 中国标准出版社，2007． ［4］ 任来平． 水下目标磁异常强度和质量磁化强度分析
［J］． 海洋测绘，2012（ 2） ： 7-10． ［5］ 柯泽贤，赵俊生，任来平，等． 水下物体磁探测线间距
的影响因素［J］． 物探与化探，2010（ 1） ： 71-73． ［6］ 梁瑞才，刘保华，张政民，等． 磁力测量在海洋井场、管
表 3 拖体入水深度试验结果（ 配重 20kg）
G（ kg）
80 80 80
V（ kn）
3. 7 3. 7 4. 0
L（ m）
60 90 100
拖体入水深度 试验值（ m） 11. 5 20 20. 5
分析表 3 的试验数据可知，当拖缆长度达到一 定数值时，拖缆长度的增加对拖体入水深度的影响 微乎其微。
分析表 1 的试验数据可知，拖体入水深度偏小，无 法满足 需 要，为 此 把 配 重 增 加 5kg，并 降 低 船 速 为 3. 5kn，采集不同拖缆长度的拖体入水深度数据见表 2。
表 2 拖体入水深度试验结果（ 配重 5kg）
G（ kg）
65 65
V（ kn）
3. 5 3. 5
L（ m）
60 90
表 4 拖体入水深度计算结果（ 配重 150kg）
G（ kg）
150 150 150
V（ kn）
5. 0 5. 0 5. 0
L（ m）
50 60 70
拖体入水深度 计算值（ m） 18. 00 20. 88 23. 52
从表 4 可知，当拖体重量加载到 150kg 时，才能 满足 20m 的拖体入水深度。显然在拖体上加装这么 大的配重在实际中是不可能的。为减小配重，最优先 考虑的是适当增加拖缆长度，把拖体设置为最大重量 100kg，根据文中导出的拖体入水深度计算公式，计算 结果见表 5，从中可知拖缆长度需要达到 100m 以上。
3． University of Information Engineering，Zhengzhou 450052，China）
拖体的配重、拖缆长度和船速是决定水下拖体入 水深度的主要参数。通过采用 G882TVG 海洋磁力仪 阵列进行多种参数配置条件下的水下拖曳试验，证明 当船速固定时，拖体入水深度随拖缆长度的增加呈非 线性增加，此建立其拖体入水深度计算模型，为拖体 入水深度的设计与控制提供了理论依据。在水下小 目标磁探测作业之前，可根据具体情况要求，应用本 文导出的计算模型灵活高效地确定拖体的配重、拖缆 长度和船速的合理配置，这样既可减少工作的盲目 性，又可确保磁探测的有效性。本文结论虽然是针对 G882TVG 海洋磁力仪阵列的试验结果，但分析方法 可直接应用于其他类似的拖曳设备参数计算。
表 6 船速 4kn、拖体重量 100kg 时的拖体入水深度
G（ kg）
100 100 100
V（ kn）
4. 0 4. 0 4. 0
L（ m）
70 80 90
拖体入水深度 计算值（ m） 19. 60 21. 60 23. 40
第4 期
缪 峰，等： 海洋磁力仪拖体入水深度试验与分析
43
5 结束语
海洋磁力仪阵列的拖曳试验，分析了船速、配重、拖缆长度的相互关系，导出拖体入水深度计算模型，对类似设备的
拖曳参数确定具有借鉴意义。
关键词： 海洋磁力测量； 水下磁探测； 海洋磁力仪； 拖体入水深度； 拖曳参数
中图分类号： P318. 6 + 3
文献标志码： B 文章编号： 1671-3044（ 2012） 04-0041-03
参考文献：
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［2］ 中国地质调查局． 岩矿石物性调查技术规程［R］． 2006 ［3］ GBT 12763． 8． 海洋调查规范 第 8 部分： 海洋地质地球
3 拖体入水深度计算模型
分析表 1 试 验 数 据 可 知，当 拖 缆 长 度 为 50m 时，拖体入水深度为 6m； 而当拖缆长度为 100m 时， 拖体入水深度不是成比例的 12m。根据表 2 试验数 据计算拖缆倾角可知，在不同的拖体入水深度，拖缆 倾角 θ 不相同： 当入水深度为 6m 时，sinθ = 0. 12； 当 拖体入水深度为 10m 时，sinθ = 0. 10。根据以上分 析可以推测，拖缆的空间形状见图 3，即在水的强大 冲击下，拖缆产生明显的向上拉力，拖缆越长，拖缆 产生的向上拉力越大，另外随着海水深度增加，拖体 受到的浮力也相应增加，在二者的共同作用下，拖体 更加难以下沉［10］。
Test and Analysis on Underw ater Depth of M agnetometer Tow fish
M IAO Feng1 ，XU Chunyan1 ，REN Laiping2 ，FAN Long2，3 ，WU Taiqi2
（ 1． The East Sea Fleet Command of the Chinese Navy，Ningbo 315122，China； 2． Naval Institute of Hydrographic Surveying and Charting，Tianjin 300061，China；
第 32 卷第 4 期 2012 年 7 月
海洋测绘 HYDROGRAPHIC SURVEYING AND CHARTING
DOI： 10． 3969 / j． issn． 1671 － 3044． 2012． 04． 012
Vol. 32，No. 4 Jul． ，2012
海洋磁力仪拖体入水深度试验与分析
2 拖体入水深度试验
为了解海洋磁力仪拖体的入水深度变化规律， 采用 G882TVG 海 洋 磁 力 仪 阵 列 进 行 收 放 试 验。 G882TVG 是 GEOMETRICS INC. 最新开发的水下小 目标 磁 探 测 设 备［8 － 9］，主 体 部 分 是 左 右 两 个 G882 海洋 磁 力 仪 拖 体，纵 向 长 度 1. 8m，横 向 宽 1. 5m。 G882TVG 通过横向排列的两个海洋磁力仪拖体同 步工作，同时采集两条平行测线的磁力数据，在作业
表 5 拖体入水深度计算结果（ 配重 100kg）
G（ kg）
100 100 100
V（ kn）
5. 0 5. 0 5. 0
L（ m）
90 100 110
拖体入水深度 计算值（ m） 18. 72 20. 00 21. 12
当拖缆太长时操船难度增加，拖体定位精度降 低，为尽量缩短拖缆长度，只能适当降低船速。不妨 把船速设置为 4kn，这是一般小型渔船（ 排水量 20t 左右） 磁探测作业时所能承受的最小船速，根据文 中导出的拖体入水深度计算公式，计算结果见表 6， 从中可知拖缆长度需要达到 80m。
图 3 测量船、拖缆和水下拖体的空间位置示意图
根据图 3 的拖体空间关系，当拖缆较短时，拖缆
拱起变形量很小，可采用下式计算拖体的入水深度：
h = L × sinθ
（ 1）
式中，h 为拖体入水深度，单位： m； L 为拖缆长度，单
位： m； θ 为拖缆倾角，单位： rad。
在拖曳作业中，拖体受到拖缆拉力、海水摩擦阻
（
AL
+
BL2 ）
式中，h 为拖体入水深度，单位： m； G 为拖体重量，单
位： kg； L 为拖缆长度，单位： m； V 为船速，单位： kn； A
为加常数，单位： m； B 为乘常数。
采用表 1 的试验数据推算上式中各个系数： A =
0. 014，B = 0. 000 04，这样可得 G882TVG 海洋磁力
在试验 开 始 以 后，首 先 把 测 量 船 船 速 设 置 为 6kn，无配重，采集不同拖缆长度对应的拖体入水深 度数据见表 1。
表 1 拖体入水深度试验结果（ 无配重）
G（ kg）
60 60 60
V（ kn）
6 6 6
L（ m）
50 70 100
拖体入水深度 试验值（ m） 6 7. 5 10
拖体入水深度 试验值（ m）
11. 5 17
收稿日期： 2012-02-01； 修回日期： 2012-04-01 作者简介： 缪 峰（ 1972-） ，男，浙江嘉善人，工程师，主要从事海洋测量数据处理研究。
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海洋测绘
第 32 卷
分析表 2 的试验数据可知，拖体入水深度仍然 偏小，为此把配重再增加 15kg，并将船速适当调整 为 3. 7kn 和 4kn，采集不同拖缆长度对应的拖体入 水深度见表 3。
1引言
在水下小目标磁探测中，由于磁异常很微弱，一 般要求拖缆长度为船长的 3 倍，拖体入水深度不超 过 3m，测线间距为 10m，船速保持为 5kn［1 － 3］。船速 太慢时，海流、海浪等不确定因素影响显著，实际的 测量航迹线很难小于测线间距 1 /5 的偏航距要求； 船速太快时，拖体受力上浮，无法达到作业要求的入 水深度，也存在重大安全隐患； 拖缆增加时，海洋动 态效应明显，拖体定位精度明显下降，也不利于测量 船的海 上 转 弯，操 船 难 度 显 著 增 加。如 果 船 长 为 20m，则拖缆长度应不超过 60m。在实际工作中，配 重是控制拖体入水深度的主要手段。水下小目标磁 探测时一般采用 25t 左右的小型渔船（ 动力 60 ～ 128 马力） ，船上一般不具备专业的吊放设备，拖体过分 笨重无疑会增加海上工作的危险性。因此，合理确 定船速、拖缆长度和配重等拖曳参数，把水下拖体控 制在特定的入水深度，对水下小目标磁探测任务而 言是至关重要的［4 － 6］。
现场通过实时观察比较两个探头磁异常信号的差 异，判断水下目标所在方位，与目前常用的单探头海 洋磁力仪相比，至少减少一半的工作量。由于地磁 日变化、船磁、波浪、海流、船速变化等来自外界的多 种不确定因素对两条拖体的影响是一致的，同步采 集的两组数据更加具有可比性，从而提高了水下目 标定位和解释的可靠性。另外，通过计算两个横向 拖体的同步测量值和前后两个相邻测点的测量值之 差，可得出测点处地磁场水平梯度值，可压制或抵消 地磁背景场影响，突出水下目标的磁异常。每个拖 体均配备压力深度计，可实时测定拖体的入水深度。
线工程地质调查中的应用［J］． 海洋科学，2003 （ 12） ： 55-57． ［7］ 吕邦来，王传雷． 磁测在港航工程勘察中的几个实例 ［J］． 工程地球物理学报，2004（ 6） ： 494-498． ［8］ M ikhail Tchernychev． M AGPICK-magnetic map ＆ profile processing User Guide ［R ］． Geometrics， Inc． 2007． ［9］ Geometrics，Inc． G-882 CESIUM MARINE MAGNETOMETE operation manual［R］． 2005． ［10］ 宋文洋，陈荣贵，赫崇本． 水下拖曳体有关问题的初步 探讨［J］． 海洋与湖沼，1982（ 2） ： 154-164．
仪阵列拖体的入水深度计算公式为：
h
=
G V
（
0.
014L
－
0. 00004L2 ）
（ 2）
在实际工作中，可根据灵活配置拖体重量、拖缆
长度和船速，采用式（ 2） 估算拖体的入水深度。
4 特定入水深度的实现
在某水下目标磁探测时，要求船速为 5kn，拖缆 长度为 60m，拖体入水深度为 20m，问题是需要加装 多少配重。采用文中导出的拖体入水深度计算公 式，计算结果见表 4。
力和自身重力的作用，拖体入水深度是拖体重量、拖
缆长度和船速的函数，建立基于拖体重量、船速、拖
缆长度的拖体深度计算模型更加具有实际意义。从
图 3 可知，随着拖缆长度的增加，拖体入水深度随拖
缆长度的增加呈非线性增加，拖缆长度较长时需要
考虑拖缆拱起变形效应，为此，拖体入水深度的计算
公式可设计为：
h
=
G V