海底定向技術(shù)：原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用

徐行, 吳瓊, 涂君, 陳凱, 王浩森

1 廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局， 廣州 510760 2 中國地震局地球物理研究所， 北京 100081 3 中國地質(zhì)大學(xué)(北京)， 北京 100083 4 南方科技大學(xué)， 廣東深圳 555001

0 引言

當(dāng)今海洋地學(xué)領(lǐng)域新理論、新學(xué)說的產(chǎn)生,以及海底地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查研究與礦產(chǎn)資源勘查取得的重要突破和成果,在很大程度上是采用了高新技術(shù)及各種高分辨、高性能、高精度探測儀器的結(jié)果(王蛟和莫杰，2015).現(xiàn)代海洋地學(xué)亟需高新海洋調(diào)查技術(shù)支撐.在常規(guī)海洋調(diào)查技術(shù)基礎(chǔ)上，引入海底定向技術(shù)，可更好地揭示海底沉積物中物質(zhì)組分和地球物理屬性的各向異性特征，從而有效地示蹤海底沉積物物源方向、應(yīng)力場分布、古地磁偏角等，極大地拓展研究領(lǐng)域，提高海洋科學(xué)研究的成果水平.因此，海底定向技術(shù)方法及應(yīng)用研究將是目前海洋技術(shù)領(lǐng)域的前沿科學(xué)問題.

長期以來，海底定向技術(shù)受限于其工作環(huán)境和制作成本等因素，技術(shù)發(fā)展遲緩.現(xiàn)今海底地質(zhì)取樣、探測和觀測設(shè)備大多數(shù)由鐵磁性金屬材質(zhì)制造而成(耿雪樵等，2009；藍(lán)先洪等，2014)，部分還帶有電子設(shè)備，因此對定向技術(shù)有較為嚴(yán)苛的需求.傳統(tǒng)定向設(shè)備通常分“光纖慣導(dǎo)”和“磁羅盤”定向兩大類.其中，光纖陀螺尋北儀技術(shù)不受海底設(shè)備的磁性與電磁干擾，系統(tǒng)定向精度高，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格昂貴、功耗大和時(shí)間累積誤差大，難以滿足工程應(yīng)用中快速定向的需求(張德寧等，2006；蔣慶仙等，2010).與光纖陀螺尋北儀相比，矢量磁力儀簡易便捷(Lenz,1990)，可快速連續(xù)采集姿態(tài)測量信息.但后者會(huì)受設(shè)備周圍的環(huán)境磁場影響，尤其是海底設(shè)備產(chǎn)生的附加磁場會(huì)產(chǎn)生測量誤差(常稱之為“羅差”)，需要羅差改正(磁補(bǔ)償)(李秉璽等，2003).如果對海底設(shè)備磁補(bǔ)償不合理，系統(tǒng)定向測量的可靠性將大大降低.因此，提高海底定向技術(shù)可靠性的關(guān)鍵在于兩個(gè)方面的突破：1)消除海底定向中的環(huán)境磁場影響；2)羅差改正之后的設(shè)備系統(tǒng)定向精度評估.

本文將對自制海底定向設(shè)備(下文簡稱，海底磁方位儀)的工作原理、磁補(bǔ)償技術(shù)方法及誤差分析作系統(tǒng)介紹.通過結(jié)合海底原位探測設(shè)備磁補(bǔ)償和精度分析的工程案例，我們將進(jìn)一步詳細(xì)探討上述技術(shù)問題，為該技術(shù)方法在海洋地學(xué)調(diào)查和研究的推廣提供示范.

1 海底定向技術(shù)

根據(jù)已授權(quán)的國家發(fā)明專利(ZL201810448229.X)(中國地震局地球物理研究所，2019)中的權(quán)力要求，我們研制了海底磁方位儀(圖1a).它具有耐壓、水密和防腐等特點(diǎn)，是一種自容式姿態(tài)測量設(shè)備，適合海洋地質(zhì)取樣和原位測量.

1.1 測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

海底磁方法儀的測量主體(圖1a)由耐壓密封艙及其內(nèi)置的姿態(tài)測量傳感模塊、數(shù)據(jù)采集記錄模塊和供電電池三個(gè)部分組成(圖1b).其中，姿態(tài)測量傳感模塊包括微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)微型固體擺構(gòu)成的傾角傳感器和矢量磁力儀，兩者的輸出端連接數(shù)據(jù)采集記錄模塊，內(nèi)部供電電池維系設(shè)備中的電子單元供電.

1.2 工作原理

海底磁方位儀的運(yùn)行分三個(gè)步驟： 1)利用內(nèi)置的MEMS微型固體擺，測量載體俯仰角(Pitch，本文用Φ表示)和翻滾角(Roll，本文用θ表示)；使用其內(nèi)置的矢量磁力儀，感測環(huán)境磁場強(qiáng)度，獲得在載體坐標(biāo)系下X′、Y′、Z′軸的三個(gè)分量.2)建立載體坐標(biāo)系下X′、Y′、Z′與磁地理坐標(biāo)系下X、Y、Z的三個(gè)分量間的坐標(biāo)變換關(guān)系,確定載體在磁地理坐標(biāo)系下的艏向角(Heading，本文用γ表示).3)修正當(dāng)?shù)氐拇牌?，得到地理坐?biāo)系下的γ.當(dāng)?shù)氐拇牌且罁?jù)國際地磁參考場(IGRF)計(jì)算獲得.

圖1 (a) 設(shè)備的外觀; (b)功能結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 (a) The equipment′s appearance, andits (b) function and structure

海底磁方位儀的姿態(tài)測量數(shù)據(jù)采集分兩部分： 1)Φ和θ的測量方法是把磁方位儀剛性連接到海底設(shè)備，投放到穩(wěn)定后，使其姿態(tài)保持穩(wěn)定.采用內(nèi)置的MEMS微型固體擺，獲得穩(wěn)定狀態(tài)下的Φ和θ.由于在穩(wěn)定狀態(tài)下Φ和θ不受環(huán)境磁場影響，作為已知參數(shù)參與γ解算之中；2)利用磁方位儀內(nèi)置的矢量磁力儀，采集和記錄在載體坐標(biāo)系下的X′、Y′和Z′分量.然后，根據(jù)公式(1)(Caruso，1997)，求得在磁地理坐標(biāo)系中X和Y方向的分量值Hx和Hy.最后，根據(jù)公式(2)，得出載體在地理坐標(biāo)下的γ.

(1)

(2)

載體坐標(biāo)系與磁地理坐標(biāo)系之間存在轉(zhuǎn)換關(guān)系(圖2a).由于獲得的磁坐標(biāo)南北極與地理南北極之間存在一個(gè)磁偏角(圖2b)，經(jīng)過當(dāng)?shù)氐拇牌切拚?，磁地理坐?biāo)系下的艏向角可以轉(zhuǎn)為地理坐標(biāo)下的艏向角.

圖2 (a) 測量坐標(biāo)系之間的關(guān)系示意圖; (b) 地磁極與地理北極的關(guān)系示意圖Fig.2 The schematic diagram relationship between (a) the measuring coordinate systems and (b) geomagnetic pole and geographical North Pole

1.3 磁補(bǔ)償校正

受磁方位儀自身存在測量誤差及工作環(huán)境外磁場干擾的影響，實(shí)際的測量精度不僅與其標(biāo)稱精度有關(guān)，也與實(shí)際工作環(huán)境及安裝方式和姿態(tài)有關(guān).其誤差具體可分為兩類(奚普周等，1995)：一是自身誤差，包括制造誤差、安裝誤差，具體表現(xiàn)在輸出的信號(hào)質(zhì)量；二是周圍工作環(huán)境因素造成的誤差.當(dāng)磁方位儀剛性連接在海底設(shè)備時(shí)，其輸出的測量信息由設(shè)備產(chǎn)生的相應(yīng)“附加磁場”與“地磁場”疊加組成.其中，由于海底設(shè)備制作材質(zhì)原因，本項(xiàng)研究中的附加磁場是產(chǎn)生“羅差”的主要貢獻(xiàn)者，其精度影響可達(dá)幾十度.由于羅差遠(yuǎn)大于磁方位儀自身產(chǎn)生的制造誤差及其安裝誤差，僅依靠調(diào)整硬件設(shè)計(jì)和安裝方案很難壓制干擾，必須要在數(shù)據(jù)處理中用校正方法來消除磁干擾，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的磁補(bǔ)償.在進(jìn)行羅差改正實(shí)驗(yàn)之前需要分析以下三個(gè)問題：

(1) 由式(1)可知，當(dāng)Φ和θ分別接近90°的時(shí)候，Hx和Hy中載體坐標(biāo)系下的X′、Y′對應(yīng)的投影會(huì)減小為0，此時(shí)輸出的艏向角γ將不再反映實(shí)際的航向，即磁方位儀測量得到的艏向角誤差會(huì)隨著Φ和θ的增加而增加.同時(shí)實(shí)驗(yàn)室測試結(jié)果表明，當(dāng)保持Φ和θ接近70°的條件下測量得到的艏向角與Φ和θ接近0°時(shí)得到的航向角之間的誤差最大不超過1°，大于70°且不超過85°時(shí)該誤差最大為1.5°.因此在羅差改正實(shí)驗(yàn)中，需要保證Φ和θ不超過70°以獲得羅差改正的標(biāo)稱精度.

(2)由于海底設(shè)備對磁方位儀的影響是一個(gè)固定的偏差，而在實(shí)際測量和羅差改正中，方位儀與被測設(shè)備的安裝位置固定，羅差改正實(shí)驗(yàn)又會(huì)選擇在弱磁環(huán)境下完成，因此源自海底設(shè)備自身的磁擾誤差將在羅差改正中被修正而不會(huì)影響測量精度.這樣做的效果是在實(shí)際作業(yè)中，如果實(shí)際測量環(huán)境中不存在明顯磁擾的條件下(實(shí)際上大多數(shù)深海探測的作業(yè)環(huán)境均滿足這一要求)，姿態(tài)測量的結(jié)果始終是穩(wěn)定輸出的，通過已有的羅差改正參數(shù)，可以補(bǔ)償探測器自身磁擾帶來的測量偏差，從而獲得在精度范圍內(nèi)的測量結(jié)果，且無需重復(fù)羅差改正實(shí)驗(yàn).

羅差是磁方位儀測量方位時(shí)的系統(tǒng)誤差，它由磁方位儀所處地磁場和其周緣的鐵磁材料、電器設(shè)備等產(chǎn)生的附加磁場疊合所產(chǎn)生.羅差使磁方位儀不能準(zhǔn)確獲得地球磁場下定向信息，對設(shè)備系統(tǒng)定向精度影響很大.根據(jù)干擾磁場的大小和方向的變化情況，羅差本身又可分為由硬磁材料引起的和由軟磁材料引起的羅差兩個(gè)部分.

(3)通常，磁方位儀本身所產(chǎn)生的磁場遠(yuǎn)小于硬磁材料，圍繞磁方位儀的硬磁材料所產(chǎn)生的磁場可近似為均勻分布.由于磁方位儀剛性連接在海底設(shè)備上，其姿態(tài)變化不會(huì)改變硬磁材料產(chǎn)生的合成磁場在三個(gè)軸上的分量，并且所造成的誤差隨艏向角在0°～360°變化時(shí)近似于正弦曲線，也稱半圓羅差.軟磁材料本身不產(chǎn)生磁場，但被附加磁場磁化后，將影響其周圍磁場，它所引起的誤差大小相對于海底設(shè)備方向隨外界磁場的變化而浮動(dòng)，可再分解為兩部分：一部分是大小和方向均不變的誤差，即圓周誤差，另一部分是與2γ成近似正弦曲線的象限羅差.具體計(jì)算公式可表達(dá)如下：

1)硬磁材料引起的羅差計(jì)算可近似用公式(3)表示：

Δγ1=Bsin(γ)+Ccos(γ).

(3)

2)軟磁材料引起的羅差計(jì)算可近似用公式(4)得到：

Δγ2=A+Dsin(2γ)+Ecos(2γ).

(4)

3)總羅差計(jì)算可用公式(5)表示：

Δγ=A+Bsin(γ)+Ccos(γ)+Dsin(2γ)

+Ecos(2γ).

(5)

4)羅差改正后的實(shí)際艏向角，可用公式(6)得到：

γc=γ-Δγ.

(6)

在公式(3)—(6)中，Δγ1、Δγ2分別為硬磁材料和軟磁材料引起的羅差，Δγ為總羅差，γ為羅差改正前磁方位儀的輸出艏向角，γc為羅差改正后的在磁地理坐標(biāo)系下的實(shí)際磁方位角.公式(5)中的A、B、C、D、E為羅差改正系數(shù).

參照一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定向設(shè)備或一組精確的定向標(biāo)記，將安裝有磁方位儀的海底設(shè)備放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，標(biāo)準(zhǔn)定向設(shè)備和磁方位儀兩者的指向重合，旋轉(zhuǎn)二到三圈.按每“角度等分”或“等時(shí)間”提取一組數(shù)據(jù)(標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備產(chǎn)生的艏向角和磁方位儀的艏向角)進(jìn)行平均計(jì)算，獲得兩者之間的對應(yīng)值.求取羅差改正系數(shù)記誤方程如公式(7)(邵婷婷等，2007；徐南榮，1986)，按照標(biāo)準(zhǔn)最小二乘算法，得到參數(shù)矩陣的最優(yōu)估計(jì)公式(8)，進(jìn)而可按照式(5)、(6)實(shí)現(xiàn)羅差校正.

U·C=H，

(7)

C=(UTU)-1UTH,

(8)

其中：

在上述計(jì)算公式中，n為觀測數(shù)據(jù)組數(shù)，對應(yīng)的γn為第n組磁方位儀測量的組平均值，γn0為當(dāng)磁方位儀進(jìn)行第n組測量過程中被測設(shè)備的真實(shí)艏向角.該值須用更高精度的、不受磁環(huán)境影響的定向設(shè)備(如，Octans羅經(jīng))測得，以減少羅差改正中的誤差傳遞.磁方位儀的精度評估方法是：先對磁方位儀實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行羅差改正計(jì)算，磁補(bǔ)償后的測量結(jié)果再與標(biāo)準(zhǔn)定向設(shè)備同時(shí)段測量結(jié)果比較，最終用其差值來確定羅差改正的效果，包括最大、最小誤差及其誤差范圍.

1.4 技術(shù)特點(diǎn)和技術(shù)指標(biāo)

本文中的磁方位儀具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低、測量快速和準(zhǔn)精等技術(shù)優(yōu)勢.其主要的技術(shù)指標(biāo)是：1)外觀尺寸：25×12×18 cm3(H×D×W)；2)重量：3.8 kg；3)姿態(tài)測量精度: 艏向角:3～5°；俯仰角和翻滾角：±0.3°；4)功耗：5 mW；5)數(shù)據(jù)通信接口：RS232(USB)；6)數(shù)據(jù)采樣率：1 s，2 s，5 s，10 s，60 s(可選)；7)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：6000組；8)時(shí)鐘精度：±50×10-6@TAU=1 s；9)工作水深：4000 m.此外，還可根據(jù)海底定向的實(shí)際要求，對本文的磁方位儀在耐壓深度、數(shù)據(jù)容量和工作持續(xù)能力等方面進(jìn)行技術(shù)升級，擴(kuò)大其適用范圍，提高其技術(shù)性能.

2 典型的應(yīng)用場景

陸域的定向技術(shù)在地學(xué)基礎(chǔ)研究、地球物理觀測和地質(zhì)勘查等行業(yè)被廣泛使用.例如，定向鉆探、古地磁學(xué)研究中的定向取樣、地面或井中地震觀測和地震前兆觀測中的設(shè)備定向等.受限于海底定向技術(shù)的發(fā)展，以上這些海域的定向技術(shù)方法及應(yīng)用研究相對遲緩.

2.1 海洋磁學(xué)研究

在沉積過程中，沉積物中含有的鐵磁性礦物會(huì)沿當(dāng)?shù)氐牡卮艌龇较蚺帕?，從而記錄了古地磁場的信?在古地磁學(xué)研究中，野外采集巖芯時(shí)需要定向，最終在室內(nèi)測量和還原樣品中古地磁場的記錄信息.在陸域，因定向技術(shù)門檻低，容易實(shí)現(xiàn)和普及，目前的古地磁采樣中幾乎都采用了磁羅盤定向技術(shù).而在海域，受海底定向技術(shù)發(fā)展限制，在深海沉積物古地磁采樣中，很少學(xué)者會(huì)在取樣器上配備方位儀.因此，現(xiàn)今絕大多數(shù)的深海沉積物古地磁采樣過程中只有上下定向信息，而沒有水平定向信息；海洋沉積物磁學(xué)研究中只有磁傾角隨深度不同的變化信息.在中低緯度海域，因磁傾角較小，若無磁偏角信息，會(huì)嚴(yán)重影響海洋沉積物的古地磁研究成果的質(zhì)量.

在沉積物的古地磁研究中，目前只能單一的利用磁化率各向異性(AMS)橢球體主軸進(jìn)行確定(張淑偉等，2017).由于在沉積過程中，物質(zhì)會(huì)受到重力、生物擾動(dòng)等因素的影響，故沉積物的原生AMS可能會(huì)受到改造，無法反映真實(shí)的磁化率主軸方向.倘若應(yīng)用沉積物的偏角變化信息，可以更好地展示蹤物質(zhì)來源.在虛地磁極(VGP)路徑研究方面，VGP的變化主要基于沉積物特征剩磁(ChRM)的傾角與偏角的變化而確定，目前VGP路徑的確定只局限于陸地古地磁樣品(Liu et al., 2018).若采用海底定向技術(shù)，可突破陸地研究的區(qū)域限制，在不同海域的海底沉積物中獲取不同時(shí)間尺度的VGP路徑.海-陸域的VGP路徑結(jié)果結(jié)合起來，能進(jìn)一步推動(dòng)地球內(nèi)部動(dòng)力學(xué)機(jī)制的研究工作.

在海洋重力柱狀取樣器或重力柱狀活塞取樣器上，配備磁方位儀，可實(shí)現(xiàn)對于取樣器的姿態(tài)監(jiān)控測量.由于絕大多數(shù)取樣器都是帶有強(qiáng)鐵磁性的鋼鐵和無磁性的鉛質(zhì)材料構(gòu)建而成，會(huì)產(chǎn)生一定的附加磁場.在開展外業(yè)前或外業(yè)后，必須進(jìn)行羅差校正的測試.具體方法如下：將設(shè)備和磁方位儀裝配于一體，與參考設(shè)備一起放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，兩者的向北指向重合；在地磁場平靜時(shí)的弱磁環(huán)境中，測量兩者在旋轉(zhuǎn)過程中各個(gè)方向的對比數(shù)據(jù)；通過獲得的兩組對比測量數(shù)據(jù)，計(jì)算出羅差改正系數(shù)，再進(jìn)行磁方位儀的羅差校正；最后進(jìn)行磁偏角的修正，將磁地理坐標(biāo)下的方位角變換到地理坐標(biāo)下，完成海底定向.詳情如圖3所示.當(dāng)使用重力柱狀取樣器在海底采樣時(shí)，需要在柱狀取樣器內(nèi)的襯管上做標(biāo)志，確定和記錄其標(biāo)志與磁方位儀的指向之間的相互關(guān)系，最后實(shí)現(xiàn)采集樣品的海底定向.

圖3 沉積物柱狀取樣器及其磁方位儀安裝示意圖(小方格充填為磁方位儀)Fig.3 Installation diagram of sediment column sampler and its magnetic azimuth meter (The small squares filling partrefers to themagnetic azimuth meter)

2.2 海底大地電磁測深

海洋電磁法是研究地殼和地球深部電性結(jié)構(gòu)與構(gòu)造的地球物理方法，自20世紀(jì)70年代被提出，在海底板塊構(gòu)造(Key and Constable，2002；Constable et al.，1990，1997)、油氣勘探(Hoversten et al.，2000)和水合物調(diào)查(Weitemeyer et al.，2011)方面發(fā)揮了重要作用，尤其在地震勘探方法難以奏效的區(qū)域(火成巖、碳酸巖、鹽丘等)，應(yīng)用效果尤為顯著.

作為電磁探測技術(shù)方法的分支之一，大地電磁測深以天然交變電磁場為場源，當(dāng)交變電磁場以波的形式在地下介質(zhì)中傳播時(shí)，由于電磁感應(yīng)作用，海底電磁場的觀測值將包含地下介質(zhì)電阻率分布的信息.海底大地電磁測深(MMT)海上作業(yè)時(shí)，需要借助海底電磁接收機(jī)實(shí)現(xiàn)海底電磁信號(hào)的采集與記錄.海底電磁接收機(jī)由作業(yè)船投放至水面，接收機(jī)借助自身的水下重量自由下沉.當(dāng)設(shè)備到達(dá)海底時(shí)，其方向完全隨機(jī)，很難能將測量主軸(電極方向)和電性主軸(測線方向)兩者重合；但在后續(xù)資料處理過程中，則需要將測量主軸上的張量阻抗旋轉(zhuǎn)到電性主軸上來(蔡軍濤等，2010；卓武等，2017).因此，準(zhǔn)確地對海底設(shè)備進(jìn)行定向是其中的重要環(huán)節(jié)，以求得設(shè)備坐標(biāo)系下電磁場方向?yàn)榛A(chǔ)，在將設(shè)備載體坐標(biāo)系從X′、Y′、Z′變換到磁地理坐標(biāo)系X、Y、Z.為獲取海底接收機(jī)的布極方向，需要在接收機(jī)上加裝姿態(tài)測量裝置獲取三軸的姿態(tài)信息實(shí)現(xiàn)海底儀器定向(陳凱等，2017).

圖4 海底電磁接收機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖(小方格充填為磁方位儀)Fig.4 Schematic diagram of submarine electromagnetism receiver′s structure (The small squares filling partrefers tomagnetic azimuth meter)

在海底電磁接收機(jī)上，需選擇磁方位儀作為姿態(tài)測量裝置(圖4).海底電磁接收機(jī)在建造過程中，最大程度上選擇無磁材料制作，但仍不可避免存在弱磁性部件(如水聲通訊模塊的變壓器、不銹鋼壓力艙等).為提升磁方位角測量精度，必須要消除海底電磁接收機(jī)本體產(chǎn)生的附加磁場成分，也就是消除“羅差”.解決問題的方法如下：在外業(yè)前，將安裝有磁方位儀的海底電磁接收機(jī)設(shè)備運(yùn)至在弱磁環(huán)境下，測量設(shè)備在各個(gè)方向上的磁場測量，求取羅差改正系數(shù)，最后獲得總羅差的計(jì)算值，從而達(dá)到消除羅差的目的.經(jīng)過羅差改正之后的磁方位儀，可獲得磁地理坐標(biāo)系下的磁偏角值.參考國際地磁參考場(IGRF)，進(jìn)行磁偏角改正，最后獲得地理坐標(biāo)系下的方位角.

2.3 海底原位測試

海底原位探測種類很多，有來自土力學(xué)、地球物理和地球化學(xué)參數(shù)的原位測試項(xiàng)目.本文以海底地?zé)崃魈綔y為例.大地?zé)崃魇橇私獾厍騼?nèi)部熱狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù), 不僅可以提供地殼和上地幔的熱結(jié)構(gòu)、塊體的活動(dòng)性以及水熱活動(dòng)等信息，還是了解沉積盆地有機(jī)質(zhì)成熟史以及天然氣水合物穩(wěn)定存在深度的關(guān)鍵參數(shù)(徐行等，2006).

海底地?zé)崃鳒y量是揭示海底沉積物熱狀態(tài)和熱結(jié)構(gòu)的技術(shù)方法.傳統(tǒng)的海底地?zé)崃魈綔y與基礎(chǔ)研究，均以一維均勻介質(zhì)的熱傳導(dǎo)方程的理論為基礎(chǔ)，得到的只是垂直于地平線法線方向的垂向地?zé)崃髦?傳統(tǒng)海底地?zé)崃鳒y量產(chǎn)出的數(shù)據(jù)雖經(jīng)過了傾斜改正，能反映出地?zé)崃鞔笮〉姆植稼厔?，但個(gè)別值總體上比較離散.這種現(xiàn)象常被解釋為受地下流體活動(dòng)的影響，但原始熱狀態(tài)絕非如此簡單.在各個(gè)地層中的熱量傳輸過程具有各向異性的特征，這種等效矢量流體具有模量大小和方向變化的特征.若要客觀真實(shí)地反映海底表層沉積物的地?zé)崃餍畔ⅲ瑒t需在探測技術(shù)上需要獲得各個(gè)方向的地溫梯度，其中的定向信息至關(guān)重要.

海底的三維熱流探測裝置如圖5，該裝置是根據(jù)國家發(fā)明專利(ZL201711269063.7)(廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局，2018)中的權(quán)力要求定制的.在探測裝置的坐標(biāo)系中，獲得不同垂直方向和水平方向的地溫梯度信息，再通過傾斜和磁方位信息轉(zhuǎn)換到地理坐標(biāo)系下的各個(gè)方向的地溫梯度信息，從而實(shí)現(xiàn)三維地?zé)崃魈綔y.其中姿態(tài)測量中的傾斜角和方位角是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換的主要參數(shù).再者，由于整個(gè)測量裝置的支架是由鐵磁性材料構(gòu)建而成的.使用前及使用后均需要將磁方位儀測量方位和整個(gè)測量裝置安裝一起做系統(tǒng)的羅差改正，然后再做磁偏角改正，最終將野外的實(shí)測數(shù)據(jù)(載體坐標(biāo)系下)換算到地理坐標(biāo)系下的方位角.

圖5 三維熱流探測裝置與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)的關(guān)系示意圖(小方格充填為磁方位儀)Fig.5 Schematic diagram of the relationship between 3D heat flow detection device and rotating platform (The small squares filling partrefers tomagnetic azimuth meter)

3 應(yīng)用實(shí)例及其數(shù)據(jù)分析

以本文研發(fā)的“海底三維地?zé)崃髟惶綔y裝置”(下文簡稱，三維熱流探測裝置)的羅差改正為例.羅差改正測試地點(diǎn)選在廣東省肇慶地磁基準(zhǔn)臺(tái)內(nèi)，其周緣的外界干擾磁場小，磁場梯度平緩.根據(jù)空間形勢預(yù)測，測試時(shí)間為北京時(shí)間2019年11月29日，在該時(shí)間段中太陽活動(dòng)水平低，以微擾為主.測試參考標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備為Octans羅經(jīng)，主要技術(shù)指標(biāo)為：艏向角動(dòng)態(tài)精度：±0.1°RMS Secant Latitude；起伏精度：5 cm或5%振幅；橫滾角和俯仰角動(dòng)態(tài)精度：0.01°；穩(wěn)定時(shí)間：30 min.最小化源自測試場地、測試期間地磁場活動(dòng)性以及參考設(shè)備的誤差，適合羅差校正的技術(shù)需求.測量時(shí)間均以北京時(shí)間為參考時(shí)間.

3.1 校正試驗(yàn)

如圖5所示，上面部分為需羅差改正的設(shè)備—三維熱流探測裝置.由五根長度為3 m的鋼矛、一個(gè)固定支架和12個(gè)鉛制圓盤構(gòu)建構(gòu)成.其中，在每根鋼矛上安裝了3支溫度測量記錄計(jì)(下文：簡稱“飛魚探針”)，飛魚探針在空間中均勻分布.校正試驗(yàn)需要旋轉(zhuǎn)平臺(tái)和試驗(yàn)場地兩個(gè)條件，其中的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)及相關(guān)的緊固件和連接件制作中均由弱磁材料構(gòu)成，校正試驗(yàn)場地利用精度優(yōu)于0.1 nT的總強(qiáng)度測量儀器進(jìn)行密跨度測試，測試結(jié)果進(jìn)行日變改正后水平梯度不超過2 nT/m(中國地震局，2004).從而保證設(shè)備在磁補(bǔ)償之后的羅差修正值皆來自三維熱流探測裝置自身，與環(huán)境和校準(zhǔn)裝置無關(guān)，故校準(zhǔn)參數(shù)可直接用于實(shí)際測量.

在校正試驗(yàn)中，把磁方位儀和三維熱流探測裝置剛性連接，磁方位儀放置在設(shè)備頂部的中央位置.Octans羅經(jīng)固定放置在旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上.其中，磁方位儀的刻度0°與Octans羅經(jīng)0°指向一致.當(dāng)Octans羅經(jīng)和磁方位儀在同步旋轉(zhuǎn)過程中，產(chǎn)出了二套數(shù)據(jù)：一是磁方位儀隨時(shí)間變化的數(shù)值；二是Octans羅經(jīng)隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)的主要信息為：時(shí)間、艏向角、起伏、橫滾角和俯仰角等數(shù)據(jù).旋轉(zhuǎn)平臺(tái)旋轉(zhuǎn)二圈之后，按Octans羅經(jīng)信息中約15°提取一組數(shù)據(jù)，其中每組數(shù)據(jù)記錄時(shí)間不少于60 s，采樣間隔為2 s.將每組數(shù)據(jù)進(jìn)行粗差剔除后計(jì)算平均值作為測量結(jié)果，本文試驗(yàn)共獲取25組的測量時(shí)間、Octans參考值和磁方位儀測量值.每組的測量時(shí)間對應(yīng)本組開始正式取數(shù)的時(shí)間，具體測量結(jié)果見表1.

表1 羅差改正前后相關(guān)測量值(測量單位：°)*Table 1 The measurement values before and after compass deviation compensation (unit: °)

3.2 數(shù)據(jù)分析和精度分析

根據(jù)記誤方程的公式(7)及其矩陣公式(8)，將表1的測量結(jié)果代入求取羅差改正系數(shù).在計(jì)算中，由于磁方位儀的測量結(jié)果中含有羅差，當(dāng)Octans羅經(jīng)測量數(shù)據(jù)未達(dá)到360°時(shí)，磁方位儀的測量數(shù)據(jù)已超過360°，使得這個(gè)對應(yīng)關(guān)系中不僅有羅差影響，還有2π的圓周誤差.為避免這種情形，在計(jì)算過程中舍棄表1中的11和23行數(shù)據(jù)，因而，數(shù)據(jù)數(shù)組值n為23.求得羅差改正系數(shù)之后，通過公式(5)和公式(6)可獲得磁補(bǔ)償后的磁艏向角γc；通過MATLAB語言實(shí)現(xiàn)了改正計(jì)算，得到的羅差改正系數(shù)A=-0.0209；B=-0.4384；C=-0.4590；D=0.1636；E=0.0021.

圖6揭示了Octans羅經(jīng)和磁補(bǔ)償前的磁方位儀兩者同步測量數(shù)據(jù)的變化曲線.左側(cè)的縱坐標(biāo)刻度代表了方位角，變化范圍為0～360°.右側(cè)的縱坐標(biāo)(紅色)的刻度代表了偏差，范圍從-60°～60°.兩套測量系統(tǒng)曲線變化趨勢是一致的，但其偏差在-30°～50°范圍之內(nèi).偏差幅值大小隨著方位角不同發(fā)生了變化，相位相對要超前些.

圖7 所示為Octans羅經(jīng)和磁補(bǔ)償后的磁方位儀兩者同步測量數(shù)據(jù)的變化曲線.通過磁補(bǔ)償后磁方位儀的測量數(shù)據(jù)曲線幾乎與Octans羅經(jīng)的曲線重疊，偏差幅度的大小與方位角不同不相關(guān)，在±4°范圍之內(nèi).其中，最大絕對誤差為第10個(gè)測點(diǎn)-3.80°，最小絕對誤差為第3個(gè)點(diǎn)0.15°.由于第10個(gè)測點(diǎn)的磁方位儀的測量值已經(jīng)接近360°，自身測量誤差較大.扣除該點(diǎn)之后，總羅差改正后的誤差分布區(qū)間為±3°.

4 討論和結(jié)果

4.1 討論

在本項(xiàng)測試中，在磁補(bǔ)償前的磁方位儀與Octans羅經(jīng)的測量數(shù)據(jù)偏差在-30～50°之間；在磁補(bǔ)償后的測量數(shù)值與Octans羅經(jīng)的偏差在±3°范圍之內(nèi).由此可見磁補(bǔ)償前磁方位儀產(chǎn)出的定向數(shù)據(jù)是不能直接使用的.如圖6，磁補(bǔ)償前的磁方位儀產(chǎn)出測量值的偏差大小與測量方位密切相關(guān)，測量偏差曲線和磁方位儀和Octans羅經(jīng)測量值的起伏形態(tài)相似，但相位有偏差，本文中的測量偏差曲線的相位是超前于磁方位儀和Octans羅經(jīng)的；而在磁補(bǔ)償之后，測量偏差曲線不但是幅值變小，而且形態(tài)沒有規(guī)律，這說明羅差改正在定向數(shù)據(jù)的磁補(bǔ)償中起了重要作用.

定向的系統(tǒng)精度與海底定向過程中背景磁測環(huán)境相關(guān).在微弱磁場背景環(huán)境里，磁方位儀的艏向角誤差可小于1°(邵婷婷等，2007；崔瑞芬和常佶，2010)；本次設(shè)備的系統(tǒng)定向精度為±3°.測量誤差增大的部分原因可歸咎于背景磁場復(fù)雜.由于海底地質(zhì)取樣器、探測和觀測設(shè)備大多數(shù)由鐵磁材質(zhì)制作而成的，這些設(shè)備還存在形狀不規(guī)則等問題，背景磁場特點(diǎn)是場強(qiáng)大、磁梯度大，分布復(fù)雜等，這是測量誤差增大的誘因.若有內(nèi)置的電子設(shè)備，本身會(huì)產(chǎn)生電磁噪聲，使得背景磁場更為復(fù)雜.

圖6 在磁補(bǔ)償前磁方位儀和Octans羅經(jīng)結(jié)果和偏差黑色折線(帶圓點(diǎn)):Octans羅經(jīng)測量結(jié)果，作為參考值，黑色虛線(帶圓圈)：磁方位儀測量結(jié)果，紅色折線(帶圓圈)：磁方位儀測量結(jié)果與參考值的偏差.Fig.6 Measurement results and deviations of the magnetic azimuth meter and Octans compass before magnetic compensationBlack broken line with dots: results of the Octans compass used as reference values. Black dotted line with circles: results of magnetic azimuth meter. Red broken line with circles: deviation between measurement results of the Octans compass and the magnetic azimuth meter.

圖7 在磁補(bǔ)償后磁方位儀和Octans羅經(jīng)結(jié)果和偏差(圖注同圖6)Fig.7 Measurement results and deviations of the magnetic azimuth meter and Octans compass after magnetic compensation

海底設(shè)備內(nèi)部部件的“位置調(diào)整”和“器件更換”都會(huì)影響到磁方位儀感測環(huán)境磁場，導(dǎo)致羅差變化；因此，在磁補(bǔ)償后的海底設(shè)備內(nèi)部部件的變換是不容許的.若要變換，必須重新對設(shè)備進(jìn)行磁補(bǔ)償；否則導(dǎo)致系統(tǒng)定向精度降低或受到嚴(yán)重影響.總之，在“磁方位儀定向”和“羅差參數(shù)測試”兩種情形下，磁方位儀與海底設(shè)備的相互關(guān)系須是一致的.

海底設(shè)備的羅差校正參數(shù)測試需具備磁場梯度小、磁干擾小的環(huán)境，而在海洋調(diào)查的作業(yè)現(xiàn)場中不具備羅差改正的條件，需移到環(huán)境合適的陸地.這引出了測試點(diǎn)與施工點(diǎn)的環(huán)境磁場不一致的情形，必然帶來另一個(gè)“異地改正”的測量誤差因子.由于目前沒有足夠的數(shù)據(jù)積累，這類“異地改正”誤差因子的影響程度有待今后工作的深入再確定.海底設(shè)備的定向技術(shù)方法在海洋調(diào)查中有潛在應(yīng)用領(lǐng)域，又因海底設(shè)備質(zhì)量重和尺寸大等因素制約，相應(yīng)的磁補(bǔ)償方法和方式還需做適應(yīng)性研究.另外，針對體積大，形狀特殊的設(shè)備磁補(bǔ)償方法，有待于算法上挖潛創(chuàng)新.

4.2 結(jié)論

在海洋地質(zhì)調(diào)查之中，與傳統(tǒng)技術(shù)融合發(fā)展，深海海底定向技術(shù)為海洋地質(zhì)調(diào)查技術(shù)方法研究帶來了新的契機(jī)，可拓展海洋地學(xué)的研究領(lǐng)域.在深海海底定向作業(yè)過程中，磁方位儀定向技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單、成本低、功耗低、測量快速和精準(zhǔn)等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的推廣性；可用于海洋地學(xué)調(diào)查中的“海底探測、觀測或定向取樣”等應(yīng)用場景.深海海底定向的核心問題是要做好設(shè)備的“羅差”改正的磁補(bǔ)償，這關(guān)系到海底設(shè)備的定向信息的真?zhèn)魏途?安裝磁方位儀的海底設(shè)備定向精度取決于磁方位儀安裝的工作環(huán)境，在無電磁噪聲的設(shè)備中，定向精度在1°以內(nèi)；若安裝電器設(shè)備，背景磁場環(huán)境會(huì)更為復(fù)雜，定向精度要低一些，在3～5°范圍之內(nèi).

致謝專項(xiàng)先導(dǎo)區(qū)建設(shè)與資源區(qū)塊優(yōu)選項(xiàng)目”項(xiàng)目和科技部重大南方科技大學(xué)劉青松講席教授付出了時(shí)間慷慨相助，提供了建設(shè)性的意見；廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局羅賢虎、劉碧榮、龐云天、邢琮琮、馮昭懿、張志剛工程師和朱榮偉博士等提供了技術(shù)支持；廣東省地震局肇慶地磁臺(tái)陸鏡輝、楊向東兩位工程師為設(shè)備校正實(shí)驗(yàn)提供了測試場地；匿名審稿人和編輯部老師對本文提出的意見和建議.謹(jǐn)此一并衷心致謝！