论文专区▏一种阵列式海洋磁力测量系统
【编者按：基于多台海洋磁力仪、测深仪和GPS，研制了数据合成器、水下拖体、电源适配器、数据收录兼导航软件，最终构建了一种阵列式海洋磁力测量系统。该阵列式海洋磁力测量系统具备3个磁力仪通道，动态噪声≤0.3nTp-p，采样率为10Hz，水下部分总重量≤95kg，配迫降翼后入水深度可达22m。该阵列式磁力测量系统曾被应用于董家口港区某锚地的未爆炸物探测，最终确定了多个疑似物位置。本文发表在《海洋测绘》2015年第1期上，现编发给朋友们阅读了解。考虑到排版关系，参考文献索引略。宗发保，男，1987出生，云南邵通人，中国船舶重工集团公司第七一五研究所，工程师，硕士，主要从事磁力测量系统构建与磁力仪研究。】
文/宗发保 邓瑞辉 任来平 顾建松 邹鹏毅 余恺
一、引言
磁力测量在海洋地球物理调查和海洋工程中应用广泛。在海洋工程中，水下光缆路由调查、未爆炸物(UXO)和沉船探测等均离不开磁力测量。
海洋磁法勘探在海洋地物调查和海洋工程均有着广泛的应用，目前应用较多的是单台海洋磁力仪。阵列式海洋磁力测量系统具有测量效率高、密度大、可兼做梯度测量和无须日变校正等优点，特别适合于路由和未爆炸物等海底磁性小目标的探测。现行海洋磁力仪产品主要有加拿大Marine Magnetics公司生产的SeaSPY，加拿大GEM System公司生产的GSM-19M、美国GEOMETRICS公司生产的G882、中国船舶重工集团公司第七一五研究所生产的GB-6A等。 这些产品大多为单台磁力仪，梯度仪/阵列式磁力仪种类少且价格昂贵。
本文基于3台海洋磁力构建的阵列式海洋磁力测量系统，不仅可以成倍的提高磁力测量作业效率，还可以兼作多梯度测量系统。
二、阵列式海洋磁力测量系统的原理及系统组成
铁磁性体物质会导致周围的地磁场产生异常。针对特定磁矩的目标，探测距离R主要由磁力仪动态噪声决定。单台海洋磁力仪的测量范围最大为2R，为了增加测量宽度提高工作效率，通常采用多台磁力仪组成阵列式磁力测量系统。 其相比单台海洋磁力仪的特点有:
①测量范围宽，效率高；
②可兼做梯度测量，无须日变校正；
③与单磁力仪多条测线相比，临近测线位置准确，较少受水流等环境因素影响；
④特别适合于路由和未爆炸物等海底磁性小目标的探测；
⑤技术难度比单磁力仪高，需要研制数据合成器、阵列式拖体并配迫降翼， 作业时风险也较高。
阵列式磁力测量系统为了保证能探测到一定埋深的目标，应将多台磁力仪的测量范围适当重叠。阵列式磁力测量系统3台磁力仪的位置安排见图１。
当相邻两台磁力仪(A与B、B与C)测量范围重叠为R/ 2时，测量范围为5R，为单台磁力仪探测范围(2R)的2.5倍，中部可探测目标体的最大埋深h≈0.66R，满足应用要求。
本文研制的阵列式海洋磁力测量系统的组成见图2，其由3台海洋磁力仪、数据合成器、水下拖体、拖缆、测深仪、GPS、数据收录与导航软件、电源适配等组成。
⒈ 海洋磁力仪
海洋磁力仪采用美国GEOMETRICS公司的G882型海洋光泵磁力仪，共3台，其主要技术指标见表1。
G882型磁力仪输出数据包含磁场值、定深AD值和高度AD值等，后两者须经标定才可使用。 3台G882磁力仪均通过水密接头连接到数据合成器，由数据合成器自动完成3台G882磁力仪的参数配置、数据合成并上传。
⒉ 数据合成器
GEOMETRICS公司的多台G882可以通过串接方式进行数据合成，但该方式受最高波特率限制，不能完成阵列式中3台磁力仪高达10Hz高采样率的数据合成。
鉴于串接方式的不足，本文设计了如图3的数据合成器，其包含MCU、多路串口芯片、电平转换、电源等模块。MCU采用TI公司低功耗高可靠的MSP430F1611I型单片机，多路串口芯片采用TI公司的四串口芯片TL16C754C。在上电后，数据合成器自动向多台G882自动发送配置命令，完成波特率、数据格式、采样率的设置，然后将接收到的数据按指定格式合成后并上传。
此外，该数据合成器还能自动识别并合成多台GB-6A型海洋磁力仪的数据。
⒊ 水下拖体
水下拖体的结构设计见图4，其完成3台G882磁力仪、数据合成器的安装与固定，还包含了配重、NACA4412型迫降翼、拉力接头等。连接结构件材料均采用6061防锈铝，表面硬质氧化。 拖缆长100m，拉断应力1500kg，电缆直径12mm，拖曳工作时为了增加安全系数和延长电缆使用寿命随电缆并联一根直径10mm的凯夫拉绳(拉断应力约1500kg）。
⒋ 测深仪
海洋磁力仪在作业时，常通过水深减去定深得到拖体离海底的距离。该距离过大时，磁异常信号太小；该距离过小时，拖体有触底危险；所以必须通过测深仪和定深值来实时监测拖体离海底的距离。
系统选用SDH-13D型测深仪，其工作频率208kHz，最大可测水深123m，测深精度（±0.4％＋5cm），数据采用RS232接口输出，波特率9600bit/s。
⒌ 定位装置
定位装置选用天宝公司的DSM212L信标机及GPS天线，定位精度<1m，数据采用RS232接口输出，其提供当前时间和经纬度。
⒍ 数据收录与导航软件
GMINFO-3Z是专门为阵列式海洋磁力测量系统编写的数据收录与导航软件。 该软件同步收录多路磁力数据、定深、GPS时间与经纬度、水深等数据并存入数据库文件，其用户界面见图5。
作业前可通过GMINFO-3Z预先规划好测区测线。 在作业时，可以根据要求放大或缩小测线图幅，实时记录航迹变化，指导作业船按预定的测线航行。此外，该软件还完成水下拖体位置和航速的计算。
三、实验及结果
集成后的阵列式海洋磁力测量系统主要技术指标见表2，其可接3台光泵磁力仪(G882或GB-6A)，实测动态噪声≤0.3nTp-p，采样率10Hz，配迫降翼后入深度可达22m。
该阵列式海洋磁力测量系统集成完毕后，曾被应用于董家口港区某锚地的未爆炸物探测。 应用后，增加了单测线搜索宽度，工作效率比单台海洋磁力仪提高了2.5倍以上。 此外，阵列式测量结果还有助于磁法数据处理和解释推断。
四、结束语
基于3台G882或GB-6A型海洋光泵磁力仪、测深仪和GPS，我们研制了数据合成器、水下拖体、GMINFO-3Z型数据收录与导航软件，最终构建成功了一套阵列式海洋磁力测量系统。该系统总重量≤95kg，配迫降翼后入水深度可达22m，磁场采样率10Hz，实测动态噪声≤0.3nTp-p，探测范围为单台磁力仪的2.5倍。
在阵列式海洋磁力测量系统构建好后，曾被用于董家口港区某锚地的未爆炸物探测，最终确定了多个疑似物位置。
致谢:吴文福研究员在海洋阵列式磁力测量系统构建和本文撰写中给予了诸多指导，期间也得到多位同事帮助，在此表示感谢。