知识窗︱海洋磁力测量与水下小目标探测
一、海洋磁力测量的特点
不论在地球表面还是地球以外的直接观测都表明地球的周围存在着磁场，并且对于整个地球表面而言，磁场是不均匀的。海洋磁力测量的主要目的是为了保证航海的需要及研究海底的构造，但同时也为探测海底小目标提供了机会。磁法探测的特点是它能连续、快速地测量地磁场及其微小变化，可在较大磁梯度环境下正常工作，不受空气、水、泥等介质的影响，能准确检测出铁磁物质所引起的磁异常。
用于航空探潜、航空地球物理勘探及海洋工程开发中的磁探测，国外现已使用的设备为高精度光泵磁探仪。光泵磁探仪是一种总场磁探仪，可连续、自动测量外磁场及其微小变化。它无零点漂移、无须严格定向，对周围磁场梯度要求不严，因此，在海洋磁探测中，已逐步取代质子磁力仪。目前，在磁力测量中广泛采用纳特(nT)作为磁力的单位。
正常地磁场在几米范围内可以认为是大小相等方向相同的均匀场，其梯度（空间二点的磁场差值）很小，约为5nT／km，如果在正常的地磁场内，有一铁磁性物体存在，局部改变了地磁场的正常分布，就称磁异常。铁磁体的磁场与距离立方成反比。铁磁物体的存在进而引起的磁异常是决定磁性探测原理的基本条件。这种磁异常不受海水、泥砂等介质的屏蔽，对磁性探测呈现“透明”特性，使得磁法探测具有不同于声、电及水下电视等设备鲜明特征。
二、海洋磁力测量的发展
在哥伦布发现磁偏角之后的200多年间。海洋上的磁力测量只是偶然现象。17世纪末，英国海军对磁偏角和磁倾角首次做了系统的测量，根据此次获得的数据出版了第一份地磁图，这足一张保证航海安全的磁偏角图。1757年，w.蒙顿和J.多德松利用在考察船和商船上进一步观测的大量数据结果，编制了大西洋和印度洋按纬度和经度每隔5°等距点上的磁偏角一览表，作者在表的序言中指出，他们利用了5万个以上的观测数据。在18世纪和整个19世纪时期，除了在船上测定磁偏角之外，还开始对磁偏角和水平分量进行观测，当时的观测精度不是很高。整个海洋上大规模的系统测量工作始于1905年，是由美困的卡纳奇研究所用专门装备的船只完成的，并编制了世界磁地图。解放前我国只在少数地区零星的做了一些磁力测量工作，而解放后，我国的海洋磁力测量工作有了快速的发展，国内也有相关单位从事氖光泵磁力仪的产生与研发，国家海洋局、国家地调局和海军等相关部门都在从事海洋磁力测量的应用与研究。
三、海上作业方式
海洋磁力仪海上工作情况如下图所示，为避免测量船和操作人员对磁力仪探头的影响，在海上作业时必须用一根非磁性的拖缆将磁力仪探头拖曳于测量船的尾部，这种船尾拖曳的作业方式增加了海上作业和数据后处理的难度。
为减少船磁影响，拖缆长度越长越好，但拖缆长度太长会导致测量船操纵困难，且磁探头定位误差也随之增大，一般情况下，拖缆长度只要大于三倍船长即可。值得注意的是：当拖缆达到一定的长度，磁力仪探头的数据流稳定了，但船磁影响还是存在的，必须在数据后处理中加入船磁影响改正。
四、探测能力估算
海洋磁力仪的探测能力与检测目标所产生的磁异常大小有关，也与仪器本身的动态可靠检测值有关。磁力仪探头检测到的目标磁异常强度随目标距离呈立方次数衰减，即目标越远检测能力越弱，反之相反。因此，测线布设间隔应根据海区水深、物体磁异常强度和仪器的动态可靠检测值确定。下图为有效探测半径说明图。
目标磁异常强度为H1，磁力仪系统动态可靠检测值为H2，探测距离为r，则磁力系统对此类目标有效作用距离（即探测斜距）S为:
S = r×（H1/H2）-3
如上图所示，O代表探头中心，CO为有效探测半径（S），OD为探头到水底泥层的深度（H），AB为有效探测宽度（W），故单机有效探测宽度W为：
W= 2×（S2-H2）-2
由于目标未知因素较多，只有通过对实际样本的检测，精确估算海洋磁力仪的有效探测宽度，为测线间隔的设定提供依据，方能确保对扫测区域进行真正有效的全覆盖探测。根据有关方面提供的数据表明，各种典型目标的磁异常强度和探测距离如下表所示。
从表中可知，500Kg以上目标的有效探测半径（s）均大于为30m，如果探头到水底泥层的深度（H）控制在10m以内，则有效探测宽度（W）为：W= 2×（S2-H2）-2=56m。
五、测线布设
⒈ 布设间隔
由于每一铁磁性物质的磁异常大小不同，故磁力测量测线布设间隔应根据有效探测宽度计算结果确定，并计算重叠覆盖宽度，在此基础上，只要控制船只偏航就能达到全覆盖探测的要求。
⒉ 布设方向
正常地磁场沿南北地轴方向梯度最大，对于目标的探测越有利，所以测线布设应以南北方向为主，也需兼顾测区地形特征和海流方向等因素。
六、资料处理方法
⒈ 数字滤波
在海洋磁力探测中，尤其是在航道、港湾和较浅水域磁法探测中，岩体磁性引起的缓慢变化往往造成很大的背景干扰场，背景干扰场应在数据处理中予以排除。但是无论是“日变”、正常地磁场梯度还是背景干扰场，它们对小目标探测而言都有其共同点：即变化较为缓慢，其频谱在感兴趣的目标磁异常信号之外，在数据处理时通常采用滤波技术，将它们从有用信号中隔开；此外，由海浪、涌及拖体不稳定性造成的频率快变化的干扰分量，通常亦落在感兴趣的目标频谱之外，也有必要将它们从有用信号中滤除。
⒉ 解析判断
对目标进行解析判断，是否为我们感兴趣的目标信号，最有效的办法就是利用已知目标的参数，建立较精确的数学模型，采用模式识别方法，设定合适的相关阀值由计算机自动加以判别。目标的磁异常数学模型可由不同方向实测的磁矩建立，用“聚类”算法计算目标在磁探测时的模式，确定不同方向的样本曲线，进行相关分析和目标识别。通过海洋磁力仪探测所得的感兴趣的水下小目标较多，如铁锚、小型废弃物等，在进行计算机模式识别时，重合度越好则目标的可能性越大。
⒊ 数据处理与成图
使用随机配备的软件对测量数据进行后处理，经过磁探头拖体位置归算改正，绘出典型剖面图和磁场平面等值线图（如下图所示），从图上可以看出海底目标引起的磁异常变化，通过绘制所有测线的磁异常剖面平面图，并依据目标的样本曲线进行相关分析和目标识别，就可以判断出目标位置，编制坐标报告表。
七、应用前景
人们通过大规模的海洋磁力测量可以测定强磁性铁矿床、弱磁性铁矿床、非金属矿床以及铜、­­镍、铬、金刚石等各种矿石的分布、性质和基本储量；在海洋开发方面，可以协助海底储油分布和油气构造；在科学研究方面，可以协助我们了解地球成因和演变过程，掌握火山的活动规律，地震预报等。对于海洋工程来说，由于磁法探测呈现“透明”特性，为我们探测泥下小目标（如泥下沉船、铁磁性沉雷、铁锚、构建物等）及海底淤埋电缆管线等提供了可能。
我们相信，随着现代科技的不断进步，海洋磁力测量的应用前景将会越来越广泛。
（文中所用部分图片系我在某项目外业的实景图片）