海洋磁力探测技术的应用研究

海洋磁力探测技术的应用研究
海底管线主要包括供水、供油、供气、排污等铁质、水泥质的管线和供电、通信等电缆和光缆，均存在明显的磁异常状况，可以用来快速准确探明海底管线的平面位置和走向，其优点是显而易见的，并且完全不受海底管线的埋深限制。

但是，由于磁法勘探的基础是海底管线与周围介质的磁性差异，这种差异容易受到管线埋深和周围介质的影响，另外，鉴于磁法勘探的深度确定是通过数学计算或正反演拟合而得，故其在纵向深度的探测精度需要其他更加直接的方法验证，比如人工探摸验证，或者采用其他的物探方法进行验证。

标签：海洋；磁力；探测技术
1 工作原理
1.1 海洋磁力测量技术
光泵磁力仪建立在塞曼效应基础之上，下图所示为光泵磁力仪原理框图。

一个装有碱金属蒸气的容器（吸收室）是光泵磁力仪的核心部件。

光源产生的光线经过透镜、滤镜和偏振片后形成红外圆偏振光，偏振光随即通过吸收室，之后光束聚焦在一个红外光检测器上。

图1 光泵磁力仪原理框图
红外圆偏振光进入吸收室后，光子将撞击到碱金属原子。

如果碱金属原子拥有相对于光子合适的自旋方向，光子将被捕获并使得碱金属原子从一个能级跃迁到另一个高能级，光子被捕获使得光束强度被削弱。

一旦大多数碱金属原子已经吸收过光子并处于不能再吸收其它光子的状态，则吸收室所吸收的光线将大幅度减少，并将有最多的光线击中光检测器。

这时如果有具特定频率的震荡电磁场进入吸收室内，原子将被重新激发至能够吸收光子的方向上，这时将有最少的光线击中光检测器。

这个特定频率被叫做拉莫尔频率（f），拉莫尔频率与环境磁场有着精确的比例关系，因而可以通过测量光检测器上光强度最弱时的震荡电磁场的频率来测量环境磁场T的大小。

即
T=Kf （1）
式中T为被测环境磁场，f为拉莫尔频率，K为比例因子。

K对于特定的碱金属来说为一常数，K因碱金属的不同而改变。

当外磁场T变化时，改变此震荡电磁场的频率，使其始终维持通过吸收室的光线最弱，即使震荡电磁场的频率自动阻踪外磁场的变化，从而实现对外磁场T的连续自动测量。

1.2 浅地层剖面仪工作原理
浅地层剖面的基本原理是声学原理。

声波是物质运动的一种形式，由物质的机械运动而产生，通过质点间的相互作用将振动由近及远地传播。

声波在不同类型的介质中具有不同的传播特征，当岩土介质的成分、结构和密度等因素发生变化时，声波的传播速度、能量衰减及频谱成分等亦将发生相应变化，在弹性性质不同的介质分界面上还会发生波的反射和透射。

因此，人们利用这一原理研制了浅地层剖面仪，用于探测声波在岩土介质中的传播速度、振幅及频谱特征等信息并推断相应岩土介质的结构和致密、完整程度，并做出相应评价。

2 磁力探测具体应用
2.1 海洋磁力探测
海洋磁力仪，对金属物体或构件的磁化率最强，可用于检测钢管或铁管等管道是否存在并测定其平面位置。

采用磁力仪进行管线探测，根据磁力仪在探测时产生的不同磁化强度和物体在地磁场中所引起的磁场变化（即磁异常），通过这些磁异常的空间分布特征、分布规律及其与磁性、体（场源）之间的关系，从而达到寻找场源（探测目标体）的目的，并提供场源的位置、埋深及规模等相关信息。

操作步骤：
数据读取：
一旦主机进行循环显示，读数也将稳定地输出读取。

实际显示的频率数值也许在某一些值上与地图所示的值有所不同，这个并不重要。

重要的是数据读取稳定且当发生变化时，人们能够知道是由于金属目标物造成的。

如果人们在有噪声干扰（例如电台、变电站等发出的电子噪声）的陆地上进行仪器操作，数据读取的数据将发生紊乱。

磁力仪在水中的探测效果要比在陆地上好，那是因为除了船舶没有别的干扰产生。

拖拽牵引：
在甲板上解开拖缆，在船舷外缓慢下放拖鱼，牵引时速为1-2MPH（英里/小时）。

缓慢的释放拖缆，以防缆绳打结。

防止缆绳在拖拽过程中极度扭曲。

不要将缆绳系挂在夹板上。

不要将缆绳缠绕在电机附近，或者从电机附近穿越。

电机产生的大量电子干扰噪声，很容易不电缆接收，从而引起数据的不稳定。

在航行拖拽快要结束时，不要进行非常大的转向掉头操作，但保证一个合适的航速将有效地防止拖鱼沉到水底。

在时速2MPH，牵引长度为150 的情况下，拖鱼大约在20英尺的水深中拖行。

航迹线设置：
沿着航迹线大约需要投放20个浮标且两个浮标间距离1000 英尺。

让测量航迹顺着一个浮标到另一个浮标，直到完全覆蓋整个方格块区域。

为了双重检验，可以在两个浮标间进行二次复测。

在完成第二次航测后，回收拖鱼和所有的浮标（除了最外边的4个浮标，以便作为参照）。

接着在邻接的方格块内，重复这个过程，直到完成整个区域的探测。

图2 航迹线设置图
目标定位：
小目标：（在一两个循环周期内持续都有小或大的磁力值变化）如果人们可以得到非常多的显示有小金属物的磁力值读数，那么在显示有最大的变化量的读数时投放一个浮标，紧接着过了50英尺后再投放第二个浮标。

然后调转船向并回收拖鱼，用一根与拖缆相同长度的缆绳拖拽着第三个浮标。

测船反方向沿着1号和2号浮标的航迹线行驶。

当3号浮标与1号浮标同一位置时，测船抛锚，此时测船就在目标物上方。

图3 小目标定位图
注：在下潜搜寻前，应该应用磁力仪进行多次不同路径的探测校验。

大目标：（在很多个循环周期内持续都有小或大的磁力值变化）沿着参考直线开始读取数据时，即投放第一个浮标。

继续保持相同的航向，当磁力仪探测不到目标后即投放第二个浮标。

调转船向且从反方向沿着之前的航迹线行驶。

人们将再次探测到目标。

当再次探测不到目标随即投放第三个浮标。

图 4 大目标定位图
注：在这一点上，人们知道了目标物坐落在2号和3号浮标之间的中心区域，但人们却不知道目标是坐落在左边还是在右边。

接下来的一些探测路径将指示出目标的位置。

在投放了3号浮标后，调转船头，航行到与2号和3号浮标航迹线的垂直正交线上。

沿着这条航行参考线，当磁力仪探测到目标物时，立即投放4号浮标且继续航行。

当探测不到目标后，投放5号浮标。

调转船头且沿着反方向航行。

重复上一次的流程，当再一次探测不到目标后，投放第6号浮标。

回收拖鱼，将测船在5号和6号浮标之间抛锚，下潜搜寻目標。

下图折线最低点为磁力异常点。

图5 磁力仪探测图
2.2 浅地层剖面探测
由于磁法勘探的基础是海底管线与周围介质的磁性差异，这种差异容易受到
管线埋深和周围介质的影响，采用浅剖仪进行检查复合。

浅地层剖面法探测采用船只作业，将仪器探头固定于船侧某一位置，开动船只低速在设计的测线上进行探测，并采用GPS-RTK进行同步定位，海上作业需进行潮位观测及水深测量，以便准确判定目标管线的埋深在海域获得的浅剖数据资料比较直观，可以直接根据获取的数据进行分析，并结合相关软件和其他已知资料进行解释判断。

浅地层剖面探测海底管线，是一种通过声波或超声波探测的间接的地球物理探测方法，该方法对于有一定规模的海底管线的探测，无论其是否有掩护，探测效果都较好，特别是对于横向的位置及埋深探测精度均很高，一般常用浅地层剖面探测管线以提供准确的平面位置及埋深；但是，对于平面位置不明确的管线，尤其是管径小于0.5米以下的管线，采用浅地层剖面法进行效果不明显。

探测结果
采用海洋磁力和浅剖两种方法进行探测，海洋磁力观测多处存在差异电磁信号，浅剖观测影像图也发现多处异常点，说明此区域确实存在电力管线。

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的影响和管线性质及管径等直接因素影响。

3 结束语
卫星、航空器和海洋船只等所采集到的海洋地磁测量数据对于直接寻找海底磁性矿产和研究海洋基底构造与海底扩张等科学问题具有不可替代的作用。

海洋磁测在发现海底各种掩埋、废弃的铁磁性物质方面非常有效，如战争遗留在海底的炸弹、水雷、沉没的舰船和海底管线，甚至水下考古发现等。

由于侦察潜艇的潜航与隐蔽（反潜技术）和水雷的布设（水下探查技术）与认识地磁场的关系十分密切，使得海洋地磁勘查在军事方面的应用也凸显出重要性。

海洋地磁场的测量与研究越来越得到各方面的重视，海洋磁测技术的发展也非常迅速
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作者简介：徐义超（1984-），男，江西省南昌市，测绘工程师，大学本科，研究方向：海洋测绘和GPS。