海洋工程磁場探測傳感技術(shù)研究進展

胡光蘭 楊勇 李曉東

（中國船舶重工集團有限公司第七一〇研究所 湖北省宜昌市 443000）

1 概述

隨著科技與經(jīng)濟的發(fā)展，人類大大加快了對海洋領(lǐng)域的開發(fā)速度，海洋工程快速發(fā)展。在海洋工程中，無論是海岸建筑物建設，還是海上平臺建設，或者海底管線布設以及其它軍事應用等，獲取海洋區(qū)域磁場信息是非常必要與急需的，只有在海洋區(qū)域地磁場信息齊備后，才能確保海洋工程的可靠實施與維護。

海洋工程磁場探測傳感技術(shù)是海洋區(qū)域磁場信息獲取的主要手段，用于感知海洋磁場數(shù)據(jù)，分析海洋磁場特征，繪制海洋磁圖，探測海洋中的磁性目標，應用海洋磁力信息數(shù)據(jù)，是認知海洋與經(jīng)略海洋的重要環(huán)節(jié)[1]，同時，也是海洋地球物理學和海洋地質(zhì)科學研究的主要內(nèi)容之一。海洋工程磁場探測傳感技術(shù)同時在軍事與民用領(lǐng)域都有廣泛且重要的應用，高質(zhì)量的海洋工程磁場數(shù)據(jù)信息可為地震監(jiān)測與研究、海洋礦產(chǎn)資源勘探、沉船打撈搜救、海洋油線管道調(diào)查、水下未爆目標探測、水下潛器自主導航等方面提供重要的基礎(chǔ)資料，海洋工程磁場探測傳感技術(shù)既在海底光纜/油氣管線鋪設維修、海底未爆目標探測、海上平臺選址、海洋環(huán)境監(jiān)測等民用方面具有重要意義，也在探潛、艦艇消磁、導航與制導等軍用方面發(fā)揮著越來越重要的作用[2]。

本文研究海洋工程磁場探測傳感技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，從磁場探測方法與磁場傳感技術(shù)兩個方面入手進行研究，分析發(fā)展規(guī)律與現(xiàn)狀，提出未來的發(fā)展趨勢。

2 海洋工程磁場探測方法

海洋工程磁場探測有多種形式，其中，從探測方法角度來劃分，海洋工程磁場探測分為單磁力儀探測與多磁力儀探測，其中單磁力儀探測包括磁場總場探測和磁場矢量場探測，多磁力儀探測包括縱向磁場梯度探測、橫向磁場梯度探測、垂向磁場梯度探測、磁場傳感陣列探測等。

2.1 磁場總場/矢量場探測

2.1.1 磁場總場探測

海洋工程磁場總場探測是利用標量磁力儀探測海洋磁場總場強度，受磁力儀姿態(tài)影響較小，常用的標量磁力儀有光泵磁力儀、質(zhì)子磁力儀和OVERHAUSER磁力儀等[3]。

2.1.2 磁場矢量場探測

海洋工程磁場矢量場探測是利用矢量磁力儀探測海洋磁場矢量場強度，能夠探測到磁場矢量場中的互相垂直的三個磁場分量，雖然受到姿態(tài)影響較大，但包含磁場信息更加豐富，具有較大的工程應用價值[4]。常用的磁場矢量場磁力儀有磁通門傳感器、超導量子干涉儀（SQUID）等。

2.2 磁場梯度/陣列探測

海洋工程磁場梯度探測是利用兩個磁力儀探測海洋磁場梯度場，根據(jù)工程應用形式不同，可以分為縱向磁場梯度探測、橫向磁場梯度探測和垂向磁場梯度探測[5]。

2.2.1 縱向磁場梯度探測

縱向磁場梯度探測是通過一根拖纜將兩個磁力儀按照一前一后的方式拖曳測量，兩個磁力儀之間保持一定距離間隔。在海洋工程磁場測量中，根據(jù)實際應用場景選擇并確定兩個磁力儀之間的基線長度，縱向梯度磁力儀在工程應用中實施較為方便，因此得到較廣泛的應用。典型的縱向磁場梯度探測有加拿大Marine Magnetics公司推出的SeaSPY型縱向梯度儀，如圖1所示，美國Geometrics公司生產(chǎn)G-880G型縱向梯度儀。

圖1：SeaSPY型縱向梯度儀

2.2.2 橫向磁場梯度探測

橫向磁場梯度探測是通過無磁剛性支架將兩個磁力儀安裝固定在其兩側(cè)，然后使用一根拖纜將橫向磁場梯度探測系統(tǒng)拖曳進行探測。兩個磁力儀之間保持一定基線長度，整體保持平行測線運動軌跡，可以同時測量兩條磁場測線，較大提升了探測效率。典型的橫向磁場梯度探測有美國Geometrics公司的G881型橫向磁力梯度儀，如圖2所示，加拿大Marine Magnetics公司推出的SeaSPY型橫向梯度儀，如圖3所示。

圖2：G881型橫向磁力梯度儀

圖3：SeaSPY型橫向梯度儀

2.2.3 垂向磁場梯度探測

垂向磁場梯度探測系統(tǒng)是通過豎直剛性無磁支架固定安裝兩個磁力儀，通過拖曳測量的方式測量某一坐標點的不同高度或者深度的磁場，垂向磁場梯度探測可以測定海洋中磁性目標的埋深。典型的垂向磁場梯度探測系統(tǒng)有Blackhawk Geometrics公司海洋垂直梯度儀。

2.2.4 磁場梯度陣列探測

磁場傳感陣列探測是利用三個或者更多磁場傳感器構(gòu)建磁場傳感陣列進行磁場探測。磁場探測陣列按照一定幾何形狀，將多個磁力儀組合形成陣列系統(tǒng)，實時探測磁場信息與位置信息，可以精確探測到海底磁性掩埋物[6]。典型的磁場探測陣列有加拿大Marine Magnetics公司推出的SeaQuest型磁場陣列探測系統(tǒng)，圖4為SeaQuest型七元磁場陣列探測系統(tǒng)，圖5為SeaQuest型四元磁場陣列探測系統(tǒng)。

圖4：SeaQuest型七元磁場陣列探測系統(tǒng)

圖5：SeaQuest型四元磁場陣列探測系統(tǒng)

3 海洋工程磁場傳感技術(shù)

海洋工程磁場傳感技術(shù)按照傳感方式的不同，可以分為磁通門傳感器、質(zhì)子磁力儀、OVERHAUSER磁力儀和光泵磁力儀等。

3.1 磁通門傳感器

磁通門傳感器是基于軟磁材料的非線性磁化特性，利用具有高磁導率的磁芯在外磁場作用下的電磁感應現(xiàn)象測定外界磁場的儀器，主要由磁通門探頭、信號激勵電路和信號提取電路構(gòu)成。磁通門傳感器最早研制于二戰(zhàn)時期飛機反潛領(lǐng)域，戰(zhàn)爭結(jié)束之后被廣泛應用于未爆彈探測、海洋磁測、礦產(chǎn)勘探等領(lǐng)域[7]。

磁通門傳感器是利用高磁導率、低矯頑力軟磁材料的磁飽和特性制造的磁強計?；诖耪{(diào)制原理，在交變磁場激勵下，磁芯處于周期性過飽和狀態(tài)，可根據(jù)被測磁場中的磁芯的磁感應強度與被測磁場的磁場強度非線性對應關(guān)系測量磁場。該方法可測量恒定或緩慢變化磁場，適用于空間弱磁場的矢量檢測[8]。

磁通門傳感器原理是利用磁通門探頭，基于聚磁效應將外界磁場信號轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過LC諧振、前置放大、選頻放大、相敏整流和積分環(huán)節(jié)輸出穩(wěn)定的磁電信號，并通過反饋環(huán)節(jié)形成閉環(huán)，構(gòu)成穩(wěn)定磁通門傳感器系統(tǒng)[9]。

磁通門探頭有單磁芯探頭、雙磁芯探頭和環(huán)形磁芯探頭等形式，為了輸出高靈敏度的磁場信號，并使得傳感器體積足夠小，本項目采用雙磁性探頭的結(jié)構(gòu)，雙磁芯探頭由激勵線圈、感應線圈和磁芯構(gòu)成。

磁通門探頭的輸出信號十分微弱，而且含有很大的噪聲信號。所以要通過前置放大電路和濾波電路來增強電路的信噪比。磁通門電路必須具備相敏特性，使輸出信號表征被測磁場的極性。相敏檢波的輸出信號經(jīng)過濾波電路后得到平滑的脈動信號，在閉環(huán)控制系統(tǒng)中為了提高前向通道的增益還必須設置積分器。這樣經(jīng)過積分器后的信號通過反饋電路接到磁通門傳感器探頭的輸出端。最終，積分器的輸出端得到正比于外界磁場的直流信號。

如表1所示，國外典型的磁通門傳感器還有英國巴廷頓公司的MAG系列、德國FGM3D型磁通門傳感器，美國TFM65型磁通門傳感器，美國Bell-3030型磁通門傳感器等。國內(nèi)較先進的磁通門傳感器有中國船舶集團第七一〇研究所研制的MS3A型磁通門傳感器、中國科學院地球物理研究所研制的CTM-302型三分量磁通門傳感器等。

表1：典型磁通門傳感器技術(shù)參數(shù)表

3.2 質(zhì)子磁力儀

質(zhì)子磁力儀利用外加電磁場將富含氫質(zhì)子的探頭進行極化，從而使外加磁場作用下的自由旋進狀態(tài)的氫質(zhì)子產(chǎn)生合磁矩，利用突然去除極化磁場作用只剩下地磁場作用的時候，氫質(zhì)子形成的合磁矩在地磁場作用下做旋進運動，合磁矩的旋進運動與地磁場強度成正比，進而求解得到地磁場強度[10][11]。

加拿大GEM公司研制的GSM-19T質(zhì)子磁力儀分辨率達到0.01nT，靈敏度達到0.15nT，如圖6所示。美國GeMercotis公司研制的G-856型質(zhì)子磁力儀，分辨率0.1nT，測量精度達到0.5nT。北京地質(zhì)儀器廠研制的CZM-2B型質(zhì)子磁力儀和CZCS-90型分量質(zhì)子磁力儀的靈敏度為0.1nT。

圖6：GSM-19T質(zhì)子磁力儀

3.3 OVERHAUSER磁力儀

二十世紀五十年代，美國物理學家OVERHAUSER首先在金屬中發(fā)現(xiàn)了當電子發(fā)生順磁共振時會導致核子強烈共振的現(xiàn)象，OVERHAUSER效應，后來法國科學家又對非金屬中的OVERHAUSER效應進行了研究，許多科學家也相繼積極投入到相關(guān)理論的研究和解釋中[12]。

1983年，加拿大GEM公司研制第一代版本的OVERHAUSER磁力儀。量子測磁實驗室（Quantum Magnetometry Laboratory）研制了POS-1型OVERHAUSR磁力儀，具有長壽命工作物質(zhì)（5-10年），高精度，測量靈敏度0.01nT，測量地磁場絕對值得傳感器，成為弱磁場感應的第一個參考標準。加拿大Marine Magnetics公司研制出SeaSPY型和EXPLORER型OVERHAUSER磁力儀，應用較為廣泛，如圖7和圖8所示。

圖7：SeaSPY型OVERHAUSER磁力儀

圖8：EXPLORER型OVERHAUSER磁力儀

3.4 光泵磁力儀

自20世紀50年代中期以來，光泵技術(shù)應用于磁力儀研制，它具有靈敏度高、相應頻率高、可在快速變化中進行測量的特點，其靈敏度達到pT級。光泵磁力儀體積小、重量輕、靈敏度高的特點，目前已經(jīng)成為航空、海洋和地面磁測的主要手段[13]。

光泵由激光光源、激光光泵探頭和光泵信號檢測組成。激光光源部分包括半導體激光源、頻率鎖定模塊和光學模塊，半導體激光源通過溫度和電流穩(wěn)定裝置維持輸出頻率的穩(wěn)定性，頻率鎖定模塊使半導體激光源輸出光束精確鎖定在Cs原子的D1躍遷能級上，并維持輸出光束頻率穩(wěn)定性，光學模塊用以產(chǎn)生能使氣態(tài)原子極化的左旋圓偏振光；探頭部分包括恒溫加熱裝置、吸收室和射頻線圈，恒溫加熱裝置用以給吸收室原子氣體加熱并維持溫度穩(wěn)定性，吸收室工作原子在左旋圓偏振光作用下產(chǎn)生沿光束方向上的極化，射頻線圈用以產(chǎn)生引起塞曼子能級間躍遷的射頻信號；檢測電路部分包括光電探測器、鎖相放大器、PID反饋控制器和信號發(fā)生器，光電探測器接受透過吸收室的左旋圓偏振光，鎖相放大器用以對光電探測器的信號調(diào)制解調(diào)，得到各倍頻信號，PID反饋控制器接受鎖相放大器輸出信號并產(chǎn)生誤差信號，通過誤差信號反饋控制信號發(fā)生器的輸出，信號發(fā)生器給射頻線圈提供射頻信號。

國外代表性的光泵磁力儀有美國Polatomic公司研制的P-2000型光泵磁力儀，加拿大GEMsystem公司的GSM系列鉀光泵磁力儀。美國Geometrics公司生產(chǎn)的G-882型銫光泵磁力儀，如圖9所示。加拿大Scintrex公司研制的CS-VL型光泵磁力儀。

圖9：G-882型銫光泵磁力儀

國內(nèi)光泵磁力儀主要有中國科學院電子所研制的CVS-18型光泵磁力儀、上海衛(wèi)導公司研制的GSN-830Cs型光泵磁力儀、中船重工715所研制的RS-YGB6A型光泵磁力儀等。

4 磁場探測傳感技術(shù)展望

隨著科學技術(shù)的飛速發(fā)展，海洋工程磁場探測傳感技術(shù)將進一步發(fā)展，一方面，磁場傳感技術(shù)趨向于更高靈敏度，另一方面，磁場探測技術(shù)趨向于多元多樣化。

4.1 磁場傳感技術(shù)趨于更高靈敏度

隨著磁場探測距離的增加和磁性目標經(jīng)過消磁處理之后磁場變得更加微弱，現(xiàn)在磁場傳感技術(shù)的靈敏度逐漸難以適應新形勢的需要，為了提升磁場探測距離，并探測到更加微弱的磁性目標，需要提升磁場傳感技術(shù)的靈敏度，發(fā)展SQUID 磁梯度儀[14]、高靈敏度微型光學原子磁力儀[15]、石墨烯磁傳感器[16]等前沿高端磁傳感器，使磁場傳感技術(shù)更加敏感，進而探測fT級甚至更高級別的磁場信息，提升磁場探測距離。

4.2 磁場探測技術(shù)趨于多元多樣化

為了探測更加豐富的磁場信息，磁場探測系統(tǒng)將更加多樣化，載體平臺可以包括無磁船、UUV、USV、飛行器等，配置方式可以是磁場梯度場、總場、矢量場等多元相結(jié)合的方式，從而測量更加豐富的磁場要素與信息，提升綜合磁場測量能力。

5 結(jié)束語

隨著海洋工程的飛速發(fā)展，海洋磁場探測傳感技術(shù)變得非常必要與急需。通過從磁場探測方法與磁場傳感技術(shù)兩個方面入手，分析海洋工程磁場測量的研究進展，指出未來的發(fā)展展望，因此磁場傳感技術(shù)趨于更高靈敏度，磁場探測技術(shù)趨于多元多樣化是海洋工程磁場探測傳感技術(shù)的發(fā)展趨勢。