海洋地球物理设备简述—海洋磁力仪和地磁日变站

按照工作原理，目前使用的海洋磁力仪可划分为质子磁力仪和光泵磁力仪，均属于电子仪器。不同类别的磁力仪均具有其优缺点，分别适用于不同的作业场合和作业条件，无法相互取代。国内常用的海洋磁力仪主要有美国Geometrics 公司G-882 型光泵磁力仪和加拿大Marine Magnetics 公司的SeaSPY 型Overhauser 质子磁力仪。

质子磁力仪的绝对准确度高、技术成熟、成本低，适用于采样率较低的绝对测量。

光泵磁力仪采样率最高、噪声水平低，适用于采样率和灵敏度要求较高的相对测量，但其存在盲区和能耗高等不足。

Overhauser 磁力仪本质上也属于一种质子磁力仪，其采样率、噪声水平、绝对准确度、能耗等主要技术指标介入标准质子磁力仪和光泵磁力仪之间。

质子旋进磁力仪（proton—precession magnetometer）氢原子核的质子是一种带有正电荷的粒子，其本身在不停地自旋，具有一定的磁性。在外磁场的作用下自旋质子将按一定方向排列，称为核子顺磁性。但其磁性甚微，只是在一些磁化率很低的逆磁性物质中才能反映出来，如些碳氢氧化合物液体（水、酒精、甘油等）)。在这些样品中质子受某强磁场激发而具有—定方向排列，去掉外磁场，则质子在地磁场作用下将以同—相位绕地磁场T旋进，其旋进频率f与地磁场T有以下关系：T=23.4872f，单位为伽马(nT)。当测定出频率f以后即可计算出总磁场强度T的数值。利用这种原理制成的仪器称为质子旋进式磁力仪，或称核子旋进式磁力仪。

自由基物质动态核极化的实质是自由基溶液中电子系统与质子系统的双共振现象, 也就是电子- 核的Overhauser （质子进动）效应。其原理是利用射频(Radio Frequency,RF) 电磁波使溶液中的电子系统达到激发状态, 由于耦合作用, 处于激发状态的电子系统将能量传递给质子系统, 使质子系统也处于激发状态, 从而产生电子- 质子双共振现象。与直接激发质子相比,这种方式可使质子的激发程度得到增强, 从而可增加探头输出信号的信噪比, 提高磁场测量精度。

光泵磁力仪（optical-pumping magnetometer）光泵磁力仪是以氦、汞、氮、氢以及碱金属铷、铯等元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的磁力仪。光泵磁力仪之所以能测量磁场，是基于上述元素在特定条件下，能发生磁共振吸收现象（称为光泵吸收），而发生这种现象时的电场频率与样品所在地的外磁场强度成比例关系。只要能准确测定这个频率，即可获取准确的外磁场强度。铯原子的超精细结构能级在外部磁场的作用下会出现塞曼分裂现象，分裂的大小与磁感应强度成比例，精确测定塞曼子能级间的频率，即可计算出此时外部磁场的大小。
光泵磁力仪同质子旋进磁力仪一样，它也是属于磁共振类仪器。但光泵磁力仪利用的原理是电子的顺磁共振现象。而质子旋进磁力仪利用的是核磁共振。

无论是质子旋进磁力仪还是光泵磁力仪都是利用核磁共振的现象，这些东西比较抽象，下面这个视频讲了核磁共振的原理，算是比较浅显易懂的。https://haokan.baidu.com/v?vid=2552466424685164395&pd=bjh&fr=bjhauthor&type=video。有兴趣的可以看看这个视频，即使我看了这个视频，仍然不是很明白，只能了解个大概。

Geometrics 公司G-882 型光泵磁力仪

从G-882的官网翻译过来的技术参数如下：

工作原理：自振荡分束式铯蒸气（非放射性）
工作量程：20,000至100,000nT
工作区域：地球磁场矢量应与传感器的赤道面成大于10°的角度，并与传感器的长轴夹角大于6°，自适应南北半球。
探头灵敏度：0.004nT/SQRT(Hz)RMS
最大采样率：20Hz
航向误差：<1nT（360°内变化）

Marine Magnetics 公司的SeaSPY2

官网打不开，以下技术参数来自于百度搜索：
工作区域范围：全球地表范围内都能够进行磁力探测，无需担心因传感器取向或无盲产生不好的数据
测量范围：18,000nT - 120,000nT。
绝对精度：0.1nT
传感器灵敏度：0.01nT/SQRT(Hz)RMS
采样率：4Hz - 0.1Hz

从以上2个设备的技术参数来说，G-882的灵敏度高，采样率高，适合于找东西，SeaSPY2无盲区，可以进行绝对测量。

针对G-882有盲区的问题，现在有研究通过加装探头实现无盲区测量，用3个正交的铯光泵探头组成一个探头，也就是三光系，实现全球无盲区。判断一个设备是单光还是三光，从外形就能看出来，单光系的一般就是一个圆柱。三光系采用正交的三个探头，所以外观是球形。

大洋项目由于主要在地球赤道附近，所以喜欢用SeaSPY进行测量，因为它是全向的，没有盲区，但是在近岸工程或航空测磁，对采样率和灵敏度要求较高，就用G-882进行测量，因此，目前市场需求较大的是类似于G-882这样的设备。那么，有没有这样的国产设备呢，最近接触到一个家，叫南京方之舆科技有限公司,型号为MG-02，主要对标G-882，先看看它的技术参数：

工作原理：自振荡分束式铯蒸气（非放射性）
工作量程：10,000至105,000nT
工作区域：10°-85°（N），95°-170°（S），南北半球自动换向
探头灵敏度：0.0006nT/SQRT(Hz)RMS
最大采样率：20Hz，可以根据需求定制到1KHz
航向误差：<0.5nT（360°内变化）。

从技术参数看，无论是量程，灵敏度和采样率都优于G-882，目前此款设备得到了多个用户的认可。据该公司的技术人员描述，国内很多G-882的用户都找他们维修，说明他们的技术实力还是很不错的。下面是几幅现场作业照片：

加装定深翼：拖体本身在不动情况下会自然沉入水底，多深都可以沉。但是动起来后，拖缆会收到水向上的托举力，把拖鱼拖起来，浮起来，为了拖体沉到要求的深度，一般需要配重。但是船速再快点，加了配重船也不会再下沉，这个时候就安装定深翼，定深翼运动起来，上面水压大，压着拖体继续下沉。但是无论配重还是定深翼都有下沉深度限制，一般都在30m左右。如果想下沉到百米级，需要加导流片.

与G-882放在一起，好难分辨啊

令人惊喜的是，他们还有地磁日变站，型号为MG-03，技术参数如下：

工作量程：20,000至120,000nT
分辨率：0.01nT

工作深度：1000m（深度可定制）
最大采样率：1min-1Hz可调
绝对精度：优于0.2nT

而现在地球物理专项所使用的地磁日变站Sentinel的技术参数如下：

工作量程：18,000至120,000nT
分辨率：0.001nT

工作深度：1000m（深度可定制）
绝对精度：0.1nT

两者从技术参数来说，MG-03参数比Sentinel稍逊一些，但是用过Sentinel的人都知道，精度固然很重要，但有数更重要，地球物理航次磁力测量最大的问题就是地磁日变站经常没有数据，或者数据错误。有兴趣的单位可以尝试一下。

磁力仪不但可以测量地磁场，还可以找埋藏的管线，比如光缆，当磁力仪经过光缆时，有1个尖峰，见下面这张图片，它来自于2种海上物探方法对海底管线的探测效果_卞培旺

最后说一篇海洋磁力仪拖鱼入水深度控制的文献，文献名字为海洋磁力仪拖鱼入水深度控制方法_任来平，直接贴出结论：

拖鱼入水深度计算和控制是水下小目标磁探测的关键环节。本文基于G882TVG 海洋磁力仪阵列的海上拖曳试验数据，推导了海水阻力、拖缆拉力和拖鱼入水深度的计算公式，分析了配重对拖鱼入水深度的影响，证明拖鱼入水深度随拖缆长度的增加呈非线性增加，当拖缆长度达到一定数值时，拖鱼入水深度不再继续增加; 拖鱼入水深度随配重的增加呈线性增加，配重每增加10kg 可使拖鱼入水深度增加1m; 随着拖鱼入水深度的增加，拖鱼阻力也随之增加，当拖鱼入水深度超过60m、航速保持6kn，Kevlar 拖缆极易被拉断。本文的分析过程和分析结论可直接应用于水下小目标磁探测的前期技术设计和组织实施。

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