海洋论坛▏海洋磁力测量技术应用及发展现状
一、引言
海洋是地球最广阔的区域，占地球表面积的71％，目前海底还有95％的未知世界。21世纪是海洋世纪，着力打造“向海经济”，搞好“21世纪海上丝绸之路”，发展海洋磁力测量技术是海洋测量技术的重要组成部分。
海洋磁力测量技术是认识和开发海洋的重要手段，海洋磁场信息是海战场环境信息建设的重要组成部分，也是地球物理场和海洋地质科学研究的主要内容之一。海洋磁力测量的对象主要是地磁场或地磁异常场。地磁场是随时间和空间而变化的矢量场，海洋磁力测量技术属于弱磁场探测技术，海洋磁力测量的任务就是通过各种手段获取海洋区域地磁场的分布和变化特征，为进一步研究、解释和应用海洋磁力信息提供基础数据支撑。
海洋磁力测量在军事领域和民用领域都有广泛应用，高精度的海洋磁场信息可为地震监测与研究、海底地质研究、海洋矿产资源勘探、海洋沉船打捞搜救、海洋油线管道调查、水下磁性目标探测、导弹地磁匹配导航、水下潜器自主导航等方面提供重要的基础资料。
海洋磁力测量技术涉及到磁力仪传感器技术磁场测量数据的采集、磁力测量信息的处理、磁场模型的建立以及磁力成果与应用需求的结合等多方面的问题。当前我国海洋磁力测量技术处在发展阶段，我国海域和部分重要海区精密海洋磁力测量，还是以船载地磁总场测量为主，航空磁力测量为辅。磁场信息获取手段不完备、测量平台效率低、测量要素不齐全、测量区域覆盖不全等问题普遍存在。本文结合海洋磁力测量技术在海洋工程和军事方面的应用需求，对海洋磁力测量技术发展现状进行了评估对发展前景进行了展望。
二、海洋磁力测量技术在海洋工程上的应用
近年来随着海洋磁力测量相关技术的不断发展，技术越来越成熟，海洋磁力测量技术在民用领域应用范围越来越广。比如，海洋磁力测量发现了海底条带状磁异常，为板块构造学说提供了重要依据。海洋磁力测量技术在海洋工程开发上有广阔的空间。
⒈在海底光缆铺设中的应用
海洋磁力探测技术是通过探测海底线缆引起的地球磁场变化，从而实现对海缆的探测和定位。地磁场分布较为复杂，在易受海区磁场(如海床上有海砂矿等之类的磁性物质)干扰的区域外，可探测埋设较浅的(小于1m)海缆，其相对地磁场(25000～65000nT)的变化量约为50nT，可以据此探测海底电力电缆、海底通信电缆和海底光缆。其他采用饱和式磁力仪探测、质子磁力仪探测、光泵磁力仪探测等方法其均可达到很好的探测精度，能够对海缆故障点和敷设路由进行探测和定位。
⒉在海底油气管线维修的应用
我国海洋石油产业发展迅速，建立了很多石油平台并铺设了大量的海底管线(输油管线、输气管线及注水管线等)，由于海水腐蚀、海洋生物损害等，部分管道出现损害和抗力衰减，造成油气泄露，产生经济损失并会对环境产生危害，因此探测现有海底管线铺设现状及准确位置对海底管线及时维修和实时更新十分重要。由于海底管线基本都是较粗的铁质管，其产生的磁场比较大，有几十到几百纳特的磁异常，利用海洋磁力测量技术对油田平台周边海底管线进行探测，探测效果明显。
⒊在海底废弃军火及其他磁性物体方面的应用
在海洋战争中，近海遗弃的水雷和炮弹，对海洋工程和正常工作构成威胁。因此采用磁力测量技术，通过布设较密的观测网，及时发现磁异常点，对海洋工程施工和未知海域航行进行前期排查处理，为海洋区域的安全提供保障。
⒋在大型海洋工程选址的应用
大型的海洋工程必须确保其地基稳定可靠，与地面飞机场跑道类似，海上相关工程也需要对地磁环境进行测量，确保区域稳定性。应用海洋磁力测量技术既可以排查海底沉船残骸等有害障碍物，又可以有效避免将重型工程建设在海底矿产之上，影响日后开发使用。 另外最重要的是可以了解工程区域内断层及其他地质构造情况。利用海洋磁力测量技术结合地震勘探和钻孔资料，对地质异常进行地质解释。
⒌在环境监测方面的应用
海底及海面污染物堆积会对海洋生物和人类日常海洋活动产生严重的影响，因此各国都在积极开展海洋环境治理，相较于传统的密集取样，采用海洋磁力测量能够大范围、宽海域、多层次的对海洋环境污染情况进行较为全面的监测和掌控。
三、海洋磁力测量技术在军事方面的应用
海洋磁力信息是海军海战场环境建设必不可少的要素，海洋磁性目标探测识别技术、海洋地磁匹配导航等关键技术的应用都需要海洋磁力测量技术及海洋磁测资料的支撑。
⒈在探潜中的应用
海洋磁力测量技术可以有效获取到水下及水面磁场、变化信息，对海洋中的磁性物体(潜艇、水雷、舰船等)进行探测，可以在已知背景场的基础上对磁异常现象进行分析，探测潜艇活动情况，可以采用大深度目标探测识别技术，还可以与航空磁力测量相结合，探测复杂背景场条件下的潜艇目标。世界上先进的航空磁探测系统可实现在潜艇上方300～800m处对其进行准确定位。
⒉在潜艇消磁隐身中的应用
为了应对磁异常探测的威胁世界上军事强国均投入大量财力对潜艇磁隐技术进行研究，以提升其生存能力。潜艇消磁集中在控制或减少潜艇磁场方面，由于潜艇本身具有较大的磁场，使其接近地球背景场信息很难，加上不同海域其本身磁性变化未知，因此消除固定磁场这种方法很难保证消磁效果。现代消磁技术已采用磁抵消技术，即通过海洋磁力测量技术实时获取当前海域的磁场信息，经过地磁解算运用消磁设备进行抵消潜艇本身磁性，达到潜艇消磁隐身目的。
⒊在舰艇导航和武器制导中的应用
地磁导航是海洋军事应用领域之一，海洋磁力测量技术的发展实现了地磁导航与GNSS、惯性系统等结合，为导航与制导提供了更加先进科学的选择，其具有无源、无辐射、全天时、全天候、全地域、体积小、能耗低等优点。潜艇、无人潜航器可依托地磁导航实现长航时，高精度水下航行；巡航导弹可依托地磁导航实现跨海制导定位；同时，地磁导航还应用在走航式水雷导航系统中。
四、海洋磁力测量关键技术发展现状
⒈海洋磁力传感器技术
海洋磁测最早可追溯到20世纪50年代，Vacquier等人采用磁通门磁力仪在大洋进行地磁场测量。随着传感器技术的发展，磁力测量系统由简单到复杂，灵敏度和精密度越来越高。根据测量原理不同，磁力测量系统主要分为感应线圈式磁力仪、磁通门磁力仪、核子旋进质子磁力仪、Overhauser效应质子磁力仪、光泵磁力仪、原子磁力仪、超导磁力仪等。
20世纪初，早期的海洋磁力测量主要采用感应式磁力仪进行磁偏角测量。20世纪40年代，磁通门磁力仪研制成功，极大地提高了磁测精度。磁通门磁力仪是矢量磁力仪，可以测量三分量，但是相比量子磁力仪，测量精度不能满足高精度磁测的需求。
随着量子磁力测量技术的发展和成熟，20世纪70年代开始，海洋磁测大量采用质子磁力仪和光泵磁力。质子磁力仪只能点测，噪声水平约为0.1nT/Hz＠0.1Hz，Overhauser效应质子磁力仪可以连续测量，其噪声水平约为0.01nT/Hz＠0.1～1.0Hz，光泵磁力仪也可以连续测量， 其噪声水平约为0.001nT/Hz＠0.1Hz。近些年来，超导量子干涉磁力仪和原子磁力仪的研发也十分活跃。超导量子干涉磁力仪是一种矢量磁力仪，它的优势是灵敏度高。在液氦温度下(4K)用低温超导体制成的LTCSQUIID，其灵敏度可达1fT / Hz，测量频带宽。原子磁力仪完全利用光学方法测量磁场，灵敏度达到0.54fT/Hz，空间分辨率达到毫米级。
当前海洋磁力测量主要以质子磁力仪和光泵磁力仪为主，美国的Geometrics、加拿大的Scintrex、英国的Bartington等几家外国公司海洋磁力仪产品发展起步早，种类多、可靠性好，几乎占据了全球绝大部分市场。
⒉海洋磁力测量要素信息
地磁场是空间和时间的矢量场，以观测点为坐标系的原点，地磁场矢量有7个要素，分别是北向分量X、东向分量Y、垂向分量Z、水平分量H、磁偏角D、磁倾角I及总强度F，见图1。其中地磁总场F、磁偏角D、磁倾角I称为“地磁3要素”。
海洋磁力仪根据测量要素不同可分为总场磁力仪、矢量磁力仪、总场梯度磁力仪和全张量梯度磁力仪。
总场磁力仪测量地磁总磁场强度的大小，一般使用质子磁力仪或光泵磁力仪，多使用光泵磁力仪。矢量磁力仪测量地磁场三分量，一般使用磁通门磁力仪或超导量子干涉磁力仪，由于定向要求较高，现有系统难以满足精度要求，因此较少进行。
图1 地磁要素示意图
总场梯度磁力仪测量总场模量的空间变化率(包括垂直梯度、水平梯度、三轴梯度)。全张量梯度磁力仪测量地磁场三分量的在3个方向的空间变化率，包含9个要素，可实现单点定位，对于提升目标探测性能具有重要意义。当前单探头的总场磁力测量技术已较为成熟，形成比较完善的技术体系和测量规范。很多单位已经开发多探头平台，可以完成模量梯度测量任务，但尚未大规模应用。全张量梯度测量信息丰富，是将来的发展趋势，但目前尚不成熟。
⒊海洋磁力测量平台
由于海洋磁场在军事上具有重要应用，西方各国都通过船磁测量完成了本国海域的磁场测量工作，世界上最早的地磁图就是船磁测量的大西洋海区的磁偏角等值线图。 船磁测量主要有两种形式：一是在无磁性船上安装地磁仪器；二是用普通船只拖曳磁力仪在海洋上测量。特别是远海磁测时，为了提高测量数据精度，还需要把磁力仪沉入海底，获得测区日变改正数据。航空磁测是一种速度快、费用省的磁测方法。美国海军20世纪50年代就开始全球航空磁场测量计划。由于有人飞机航程有限，一般只能执行近海的航磁测量任务，随着无人机航磁测量技术的成熟，远海航磁测量也将日趋成熟。船载和航空磁力测量磁测精度高，但是速度太慢。卫星磁测为全球磁场的高精度快速测量提供了有力的工具，通过卫星磁测，可以在很短的时间内获得全球磁场资料，用来建立全球磁场模型。
我国于20世纪70年代开始对中国附近海域进行航空磁测，由于测量目的是为地学基础调查和海洋矿产资源开发服务，多数测量比例尺较小，磁测精度较低。 近年来，我国开展了以船载磁测为主，航空磁测为辅的我国海域磁场和部分重要海区的精密探测。
⒋海洋磁力测量成果
海洋磁力测量成果一般用地磁图和地磁模型来描述。地磁场模型就是利用一定的数学方法对地磁场的一种近似和描述，对人们认识和了解地球内部结构、电离层磁层活动、地磁导航与定向等都有重要作用。目前，国际上公认的地磁场模型是国际地磁学与高空物理协会(IAGA)推出的国际地磁参考场IGRF模型，是广泛收集卫星、台站、航空和船载磁力数据的研究成果。随着高精度、长周期的卫星和地面台站等磁测数据的积累和地磁场建模方法的改进，国际上相关的研究机构也在研究和推出一系列新的地磁场模型，以满足不同的应用需求。世界地磁场模型(WMM)是由美国国家地理情报局(NGA) 和英国国防地理中心(DGC)等联合发布的。美国国防部、英国国防部、北大西洋公约组织(NATO)和国际海道组织(IHO)等都将该模型作为导航和姿态确定参考系，数据主要来源于Oersted和CHAMP等卫星的磁测数据。
球谐分析是研究全球地磁场和地磁图的主要数学方法，但是受到数据和计算能力的限制，导致它的分辨能力有限，不适宜于处理某一地区磁场或描述空间尺度较小的磁异常。安振昌等利用我国历年来的地磁观测资料，以及部分国外地磁台站资料，以三阶泰勒多项式拟合方法建立了中国地区的主磁场模型，记为CHINAMF。该模型对于中国大陆而言精度是最高的，但是对于中国海域而言，误差较大。
五、海洋磁力测量技术发展展望
随着磁场测量传感器技术、无人机平台技术、计算手段和理论方法的不断发展和成熟，海洋磁力测量正朝着高精度、高效率、小型化、多学科交叉应用的方向发展。
⑴测量传感器趋于高精度、小型化海洋磁力测量从磁饱和式磁通门磁力仪、核子旋进式质子磁力仪等早期产品，一步步演进到光泵磁力仪、超导量子干涉磁力仪和原子磁力仪等更加小型化、精度更高、使用范围更广的产品。随着计算机技术的进步，数据处理方式也经历了从模拟信号到数字信号的转变，小型化、便携性、数字化以及高精度是海洋磁力仪未来的发展方向。因此，为了满足各方面的应用需求，应该大力支持高精度小型化磁力仪的研究和开发。
⑵海洋磁场信息测量载体趋于多样化随着无人机技术、无人潜航器技术、卫星技术的发展，海洋磁测载体呈现出多样性的特点，载体包括船载、有人机、无人机、卫星、潜航器等。要统筹海洋调查、监测等多种海洋磁场信息获取手段，建立完善的由天基、空基、岸基、海基、潜基、海底基等多种数据采集手段，形成分布密度合理、监视要素齐全的海洋磁场信息获取体系。
⑶测量模式和测量要素多样化海洋磁力测量配置模式，已经从单探头模式发展到多探头配置模式；测量要素由单一要素的测量，发展过渡到多要素、多分量、全梯度、全张量测量，大大提高了信息获取能力，拓展了海洋磁场信息的应用范围。海洋磁力测量应进一步提高总场磁力仪测量的精度，应进一步拓展磁力测量手段，积极发展航空、卫星等磁力测量手段，丰富矢量、梯度、张量等磁力测量要素。
⑷构建满足应用需求的海洋磁场模型随着海洋磁力测量资料的积累，海洋磁场测量可以为军事活动提供高精度的磁场信息为海洋资源勘探、为海底地质构造、板块运动及海底扩张等研究提供基础资料。但是海洋磁力只是离散点，需要通过先进的数据处理技术，构建满足不同的应用需求的地磁场模型和可视化地磁图，为磁力信息的应用和解释奠定基础。另外，不同应用目标需要的磁场信息也有差异，有的需要正常地磁场模型，有的需要磁异常场模型，而且正常场和异常场是相对的概念。应针对不同的应用背景，构建要素齐全，精度满足需求、分辨率满足需求的地磁场模型。
六、结束语
海洋磁场信息是海洋环境信息体系建设必不可少的要素，随着海洋经济发展进程的加快、海洋地学研究的深入和海战场环境建设的迫切需求，海洋磁力测量技术将会在军事应用和海洋经济建设中发挥越来越重要的作用。
本文总结了海洋磁力测量技术在海洋工程和军事应用方面的应用场景和应用需求。针对当前我国海洋磁力测量技术所处发展阶段，分析了海洋磁力传感器技术、海洋磁场要素获取技术、海洋磁场测量平台、海洋磁场测量成果等磁力测量关键技术的发展现状。 指出海洋磁力仪传感器以光泵和质子磁力仪等单要素总场磁力测量为主，缺少多分量信息获取手段；海洋磁力测量平台以船磁测量为主，航磁测量为辅，缺少多样化测量平台；海洋磁力测量成果缺少区域性高精度模型和地磁图，并且缺乏满足高精度应用需求的数据模型。
海洋磁力测量技术是多学科、多平台融合而成的复杂集成技术，面对广阔的军事和海洋经济应用需求，需要融合传感器技术、无人机平台技术、智能计算手段和理论方法，突破基本物理机理、关键硬件、软件、数据处理和应用等多方面的技术难题，形成高精度、多要素、高效率、小型化、多平台、多应用的体系化发展模式，为保障海上军事活动和海洋经济建设奠定坚实基础。
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【作者简介】文/孙昊 李志炜 熊雄，来自海洋测绘研究所等；第一作者孙昊，1980年出生，男，辽宁北票人，硕士，主要从事海洋测绘技术应用研究；本文来自《海洋测绘》（2019年第6期），参考文献略，用于学习与交流，版权归作者及出版社共同拥有。
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