地磁测量原理及海洋磁力仪应用
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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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 数据采集和典型异常体解释
• 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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 数据采集和典型异常体解释
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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 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
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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 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
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 |
光泵磁力仪原理
光源
透镜
滤镜 偏振镜片
地磁场
光电管 透镜 H1 线圈
吸收室
• 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
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。
耐压壳体 传感器
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 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： 高度： 水密性： 电源：
20,000-100,000 nTFra Baidu bibliotek
<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 1 nT（在360度旋转和翻滚范围内） <3 nT（在整个量程范围内）
光源
透镜
滤镜 偏振镜片
地磁场
光电管 透镜 H1 线圈
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
光轴 OP T I CA L CE NT E RL I NE OF S E NS OR
磁探头 S E NS OR HE A D
A CT I V E Z ONE
有效区
60度
DE A D Z ONE
磁力线
盲区
60
75度
75
• 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
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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 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
为千分之几到几 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
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。
• 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
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 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
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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 数据采集和典型异常体解释
• 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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 数据采集和典型异常体解释
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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 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
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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 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
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 |
光泵磁力仪原理
光源
透镜
滤镜 偏振镜片
地磁场
光电管 透镜 H1 线圈
吸收室
• 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
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。
耐压壳体 传感器
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 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： 高度： 水密性： 电源：
20,000-100,000 nTFra Baidu bibliotek
<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 1 nT（在360度旋转和翻滚范围内） <3 nT（在整个量程范围内）
光源
透镜
滤镜 偏振镜片
地磁场
光电管 透镜 H1 线圈
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
光轴 OP T I CA L CE NT E RL I NE OF S E NS OR
磁探头 S E NS OR HE A D
A CT I V E Z ONE
有效区
60度
DE A D Z ONE
磁力线
盲区
60
75度
75
• 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
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 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 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
为千分之几到几 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
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。
• 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
2.海洋磁力仪工作原理和应用
2.1 海洋磁力仪光泵技术原理 2.2 G882海洋磁力仪 2.3 海洋磁力仪磁测实例 2.4 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