地磁测量原理及海洋磁力仪应用

传感器
耐压壳体
手柄/重心 拖挂点
电缆盖板
深水附加配重
姿态配重
高度计仓
G-882 海洋铯光泵磁力仪主要技术指标
量程 20,000-100,000 nT
CM-221计数器 灵敏度
指向误差： 绝对精度： 传感器拖鱼： 拖缆： 工作温度： 贮存温度：
<0.004 nT/Hz rms，当采样率为0.1秒时，0.02 nT；采样率为1 秒时，0.002 nT，最高采样率为每秒10次
值、信号强度及磁场值和深度及高度计值；
• 注意：浅水水域投放注意保护（加浮体等），有渔
网等障碍物水域要慎重投放，并且派人值守和瞭望； 有暗礁、礁石等障碍物水域要特别注意磁力仪的安 全
拖鱼的投放和回收
• 各信号正常后，继续投放电缆至约3倍船长，在此 •
• •
过程中要始终检测各信号并保持慢航速至确认系 统工作正常； 逐步升高航速至正常测量航速（一般6~8节左 右）； 测量过程中要注意监测电缆线的“弹拨声”和张 力应为恒定值，发现异常立即减速，回收拖鱼； 测量过程中如发现信号中断要立即减速，回收拖 鱼。
100 磅铁块
10 磅铁块 1 磅铁块 5 英寸螺丝刀 1000 磅炸弹 500 磅炸弹 手榴弹 20 mm 铁壳
0.5-1
0.5-1 0.5-1 0.5-2 1-5 0.5-5 0.5-2 0.5-2
9
6 3 4 30 16 3 1.8
内容提要
1.地磁测量基础
1.1 地磁场及其要素 1.2 地磁场分布和变化规律 1.3 地磁场测量表示
除受到满足玻尔频率的光照发生跃迁外，电 子运行轨道很稳定。（玻而理论）
• 塞曼（1902诺贝尔奖）磁次能级：在外磁
场中每个电子能级将分裂成 n 个能级差相 等且与外磁场成正比的磁次能级
光泵技术:电子跃迁
• 电子受到满足一定频率的光照后发生跃迁 • 光泵技术：电子跃迁后将很快随机返回，
经多次跃迁、返回后所有电子将处于同一 能级且不能再跃迁。
采集数据 Maglog
一、设置 G882 配置参数 • 运行 “测量向导” • 输入测量文件名 • 设置 GPS 串口参数 • 设置磁力仪串口参数 注意硬件类型与实际一致 采样间隔为 0.1 ~ 1 秒 • 将设置参数送往磁力仪 • 需要实时计算拖鱼位置时输入 改正参数 1. 输入打印机设置参数
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采集数据 Maglog
磁测实例:
• 法国 LaSalle
18世纪早期的 考古场地
磁测用于考古
内容提要
1.地磁测量基础
1.1 地磁场及其要素 1.2 地磁场分布和变化规律 1.3 地磁场测量表示
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 2.2 2.3 2.4 海洋磁力仪光泵技术原理 G882海洋磁力仪 海洋磁力仪磁测实例 数据采集和典型异常体解释
• • • • 地球周围存在地磁场 是复杂的矢量场 近似于一个磁棒的磁场 地磁场的南北极与地
理南北极不一致
地磁三要素
• 磁场强度 F • 地磁倾角 I • 地磁偏角 D
地磁偏角
• 东偏为正 • 西偏为负
内容提要
1.地磁测量基础
1.1 地磁场及其要素 1.2 地磁场分布和变化规律 1.3 地磁场测量表示
光源
透镜 滤镜 偏振镜片 光电管 透镜 H1 线圈
地磁场
吸收室
• 跟踪式光泵磁力仪：改变跟踪频率，寻找光电信 •
号最弱的点。 自激振荡式光泵磁力仪：将光电信号正反馈回H1 线圈，寻找使H1回路发生自激振荡的频率 （70~350 KHz 对应 20k~90 K nT)。
磁探头的取向
OP T I C A L C E N T E R L I N E
采集数据 Maglog
一、设置 G882 配置参数 • 运行 “测量向导” • 输入测量文件名 • 设置 GPS 串口参数 • 设置磁力仪串口参数 注意硬件类型与实际一致 采样间隔为 0.1 ~ 1 秒 • 将设置参数送往磁力仪
运行Maglog NT 采集数据
一、设置 G882 配置参数 • 运行 “测量向导” • 输入测量文件名 • 设置 GPS 串口参数 • 设置磁力仪串口参数 注意硬件类型与实际一致 采样间隔为 0.1 ~ 1 秒 • 将设置参数送往磁力仪 • 需要实时计算拖鱼位置时输入 改正参数
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 2.2 2.3 2.4 海洋磁力仪光泵技术原理 G882海洋磁力仪 海洋磁力仪磁测实例 数据采集和典型异常体解释
3.附录（用户名单）
磁测实例: 复杂的管道磁场
Maricaibo 油田 Lake Maricaibo, Venezuela
用铯光泵磁力仪在水 深6-10米处测得的总 磁场
磁测实例:
沉船的磁场
HIGH
LOW
用铯光泵磁力 仪在水深约20 米处测得的总 磁场
沉没的货船 (1903), 波士顿港
磁测实例: 斯坦福大学环境测试场磁场图像
磁测实例:
斯坦福大学环境测试场磁场图像
• 模型体磁场
• 埋藏的铁桶的磁场 • 19世纪用于灌溉的 用铁丝捆扎的木管 • 阴影浮雕图清晰地 显示出小的和大的
作业方式非常灵活
可现场选择拖挂拖鱼的鼻子或重心点-对不同
水深都适应
可挂在侧扫声呐拖鱼后同时工作
可组合成垂向或横向梯度仪-在环境干扰较大
时可更有效地发现目标
拖鱼的投放和回收
• 在甲板上将各接头抹一点硅脂后接好，将拖鱼垫高
一米，开机，信号强度合格后，保持开机投放；
• 船以最慢的速度直线航行； • 将拖鱼投放约50米，观察一段时间，注意电压电流
采集数据 Maglog
• 开始记录数据
• 停止记录数据 • 开始打印数据 • 停止打印数据
数据解释： 单个物体的磁场 a
• 铁球模型总磁场东 • • •
西向剖面图 铁球重一吨 球心距测量面10米 磁倾角60度
数据解释： 单个物体的磁场 b
• 铁球模型总磁场南北向剖面图 • 北部为负异常，南部为正异常
1 nT（在360度旋转和翻滚范围内） <3 nT（在整个量程范围内） 直径7cm，带尾翼长1.37m（尾翼宽28cm）。重18kg，包括传感器 和电子部件，一个主配重。附加配重环每个6.4kg，可配5个 Kevlar增强型多芯拖缆，断裂强度3600磅，外径12mm。 60米电缆带机械终端重7.7 kg。 -35C ~ 50C -45C ~ 70C
3.附录（用户名单）
内容提要
1.地磁测量基础
1.1 地磁场及其要素 1.2 地磁场分布和变化规律 1.3 地磁场测量表示
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 2.2 2.3 2.4 海洋磁力仪光泵技术原理 G882海洋磁力仪 海洋磁力仪磁测实例 数据采集和典型异常体解释
3.附录（用户名单）
地球的磁场模型
光泵磁力仪原理
光源
透镜
滤镜 偏振镜片 光电管 透镜 H1 线圈 吸收室
地磁场
• 先用光泵使所有电子处于同一能级 • H1线圈加拉莫频率的电磁场时，电子在塞曼磁次
•
能级间重新发生跃迁，致使光电信号随之变化。 产生拉莫信号。 铯原子的拉莫频率为 f = 3.498572 * T (nT)
自激振荡式光泵磁力仪原理
高度：
水密性： 电源：
最大9,000米
O型圈密封，最大工作深度2750m 24-32 VDC，开机电流0.75A，工作电流0.5A
G882 铯光泵磁力仪的优点
极高的灵敏度 (0.004nT / Hz rms) – 相隔很
远就能测到很小的目标物 很高的采样率 (最大到 10 Hz) - 高速航行时仍 可有效地发现小目标 在高梯度区域仍可有效工作 (高于 5000nT / ft) - 在具有大体积的铁器周围仍可有效工作 仪器非常轻便-可电瓶供电，无需绞车
内容提要
1.地磁测量基础
1.1 地磁场及其要素 1.2 地磁场分布和变化规律 1.3 地磁场测量表示
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 2.2 2.3 2.4 海洋磁力仪光泵技术原理 G882海洋磁力仪 海洋磁力仪磁测实例 数据采集和典型异常体解释
3.附录（用户名单）
Geometrics G882 高分辨高采样率光泵磁力仪
内容提要
1.地磁测量基础
1.1 地磁场及其要素 1.2 地磁场分布和变化规律 1.3 地磁场测量表示
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 2.2 2.3 2.4 海洋磁力仪光泵技术原理 G882海洋磁力仪 海洋磁力仪磁测实例 数据采集和典型异常体解释
3.附录（用户名单）
光泵原理 原子的能级及跃迁
• 电子在量子化的轨道（能级）上绕核运动
拖鱼的投放和回收
采集数据 : 系统装置
典型的单探头和双探头（梯度）海洋磁力仪装置
GPS
实时数据记录和处理
船
单探头或从探头
多路调制解调器
磁性体
没有或主探头
光泵磁力仪对常见目标的典型探测范围
目标体
1000 吨船只 20吨铁锚 汽车 轻型飞机 12 英寸管线 6 英寸管线 100 千克铁块 异常值(nT) 0.5-1 0.8-1.25 1-2 0.5-2 1-2 1-2 1-2 探测距离(m) 244 120 30 12 60 30 15
光轴
OF
S E N S OR
磁力线
S E N S OR
磁探头
H E A D
D E A D
Z ON E
60度
6 0 A C T I V E Z ON E
盲区
有效区
7 5
75度
• 为保证信噪比，地磁场与光轴夹角应大于15度小于75度
光泵磁力仪的优点
• 将测磁场转为测频率，可达很高精度 • 没有温度和零点漂移影响 • 对外磁场变化响应快 • 可连续测量，实现海洋航空磁力测量 • 不需要严格定向
海洋磁力仪工作原理及应用
劳雷工业公司 2014年4月
内容提要
1.地磁测量基础
1.1 地磁场及其要素 1.2 地磁场分布和变化规律 1.3 地磁场测量表示
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 2.2 2.3 2.4 海洋磁力仪光泵技术原理 G882海洋磁力仪 海洋磁力仪磁测实例 数据采集和典型异常体解释
3.附录（用户名单）
感应磁化
• 任何铁磁物质在地磁场作用下都会被磁化 • 感应磁化强度的大小为：
I = kF
其中：I 为感应磁化强度 k 为物体的磁化系数 F 为地磁场强度
总磁场强度
• 实测的总磁场强度Ｔ为标量，它是正常地
磁场与局部异常及各变化磁场之和 T = | F正常 + dF 异常+ T ’变化 |
• 中纬度地区
• 赤道地区
典型的磁日变图
磁 暴
• 不规则的短期的剧烈变化
典型的磁暴图
地磁场的微脉动
典型的地磁场微脉动图
内容提要
1.地磁测量基础
1.1 地磁场及其要素 1.2 地磁场分布和变化规律 1.3 地磁场测量表示
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 2.2 2.3 2.4 海洋磁力仪光泵技术原理 G882海洋磁力仪 海洋磁力仪磁测实例 数据采集和典型异常体解释
数据解释： 单个物体的磁场 c
• 铁球模型总磁
• •
场 T 平面图 铁球重一吨 球心距测量面 10米 磁倾角60度
•
采集数据 : 单个磁性体的磁场
• 模型体磁场
• 300米深铁磁体 的典型磁场 • 模型体尺寸 20x4x4 m, 500 吨重 • 磁场强度 -0.7 到 0.8 nT.
全球地磁场强度图
• 极区的强度为 •
60000 nT 赤道区的强度 为30000 nT
全球地磁倾角图
• 等倾线与纬 •
线不平行 0~30度为低 纬区 30~70度为 中纬区 70~90度为 高纬区
•
•
中国的磁倾角范围约为-10 ~ +70度
太阳风示意图
地磁场的日变
• 地磁场强度在一天内连续且比较有规律地变化 • 平均幅度为几 nT 到几十 nT
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 2.2 2.3 2.4 海洋磁力仪光泵技术原理 G882海洋磁力仪 海洋磁力仪磁测实例 数据采集和典型异常体解释
3.附录（用户名单）
地磁场随时间的变化
• 长期变化：以年为单位的变化，由地球
内部引起 • 短期变化：按日或更短的变化，由太阳 风引起 • 微脉动 ：周期为0.001到600秒，强度 为千分之几到几 nT
3.附录（用户名单）
采集数据 Maglog
一、设置 G882 配置参数 • 运行 “测量向导”
采集数据 Maglog
一、设置 G882 配置参数 • 运行 “测量向导” • 输入测量文件名 • 设置 GPS 串口参数
采集数据 Maglog
一、设置 G882 配置参数 • 运行 “测量向导” • 输入测量文件名 • 设置 GPS 串口参数 • 设置磁力仪串口参数 注意硬件类型与实际一致 采样间隔为 0.1 ~ 1 秒