磁测技术在水运工程通航安全领域的现状及展望

摘要：本文分析了海洋磁力测量作为重要的海洋测绘手段对于通航区域的水下磁性障碍物搜寻、海洋地磁调查、磁场分布和变化研究等具有的作用；回顾了磁力测量国内外发展的现状；对基于通航安全领域的水下磁力异常的目标探测技术探索了磁探测技术以后的研究方向。

Abstract: This paper analyzed the role of the marine magnetic survey as an important marine surveying and mapping means to search magnetic navigation obstacles in underwater areas, survey marine magnetic, and study the distribution and variation of the magnetic field, reviewed the status of the development of magnetic measurements at home and abroad, explored the future research directions of magnetic detection technology based on the goals detection technology of abnormal magnetic force in the underwater navigation safety area.

关键词：磁力测量；磁力异常；数据滤波

Key words: magnetic measurement；abnormal magnetic force；data filtering

中图分类号：U61文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）11-0059-02

1概述

磁力勘探在地球物理的应用上是发展最早、应用广泛的一种方法。具有简便易行、效率高、成本低、工作领域广、不受地域限制、应用范围广等优点。海洋磁力测量主要通过测量通航区域磁场的异常变化，判定通航区域是否存在磁性障碍物，具有分辨率高，不受障碍物是否漏出或掩埋的局限。正是海洋磁力测量对于通航区域的磁性物体尤其是掩埋的物体包括对通航区域有影响的铁锚、水雷等有其它测量手段无法比拟的优势，因此在数据采集和磁力异常数据处理上受到越来越多的重视和研究。目前测量的方式已经基于单个磁力测量拖体发展为多探头的海洋梯度仪，它可以实时准确三维梯度向量测量，测量目标的确切位置，并且立即显示在地图上。在应用上消除了日变改正的需要，减少了设备和操作的成本。综上所述，基于通航安全的障碍物测量手段多样化，而采用多种测量方式的多种数据的融合处理已经受到越来越多的重视和研究。

在通航安全区域的测量中，海洋磁力测量作为重要的海洋测绘手段对于通航区域的水下磁性障碍物搜寻、海洋地磁调查、磁场分布和变化研究等具有十分重要的作用。尤其是海难事故的调查、发现和搜寻工作，其中海洋磁力测量在发现、定位磁性沉体中发挥着重要的作用。因此，就海洋磁力测量中对通航安全领域的水下目标磁探测方法展开研究及实践具有一定的现实意义。

2国内外研究现状和趋势综述

2.1 磁力测量仪器的发展早在两千多年前，我国就已经利用磁现象发明了指南针用于辨别方向。英国人威廉。吉尔伯特于1600年通过实验提出，地球类似一个大磁体。1640年，瑞典利用罗盘找矿。1870年泰朗（Thalen）和铁贝尔（Tiberg）研制成功万用磁力仪。1915年德国人施密特（schmit）制造成功刃口式磁秤。1936年苏联人阿。阿。罗加乔夫试制成功感应式航空磁力仪。20世纪50代、60年代，美国、苏联又研制了质子磁力仪用于海洋磁测。

我国在1939年开始磁测工作，1960年北京地质仪器厂生产出CSI-60型悬丝式磁秤，观测精度在2~5个纳特，1875年生产出地磁通门磁力仪（CCM）1982年氦光泵航空磁力仪投产，1983年退出CZM-2型底面之子磁力仪，1988年引进IGS-2/MP4和G856磁力仪，20世纪90年代，研制成新的地面氦光泵航空磁力仪。20世纪90年代研制生产的光泵航磁仪，分辨率达到0.0025nt，具有远距离大宽度测量以及全球作业的整体性能。

进入21世纪以来，加拿大Marine Magnetic公司生产的海洋三维质子磁力梯度仪SeaQuest，成为第一个商业化的海洋磁力仪，已经可以实时准确三维梯度向量测量，测量目标的确切位置，并且立即显示在地图上。在很多应用上消除了日变改正的需要，减少了设备和操作的成本。同时通过回音测深器或高度计测深精度0.1m，为垂直的梯度测量提供了精确的参数。SeaQuest可以有效抑制地形变化造成的磁力影响和加强附近小目标，在单轴梯度和阵列在轴方向上加强目标。它增强了小目标并抑制了地质特征，是原来掩盖在总场里的小目标变得非常明显。我国在21世纪研究成功的RS-YGB6A型海洋氦光泵磁探仪（磁力仪）是一种原子磁力仪，是一种高精度磁异常探测器，适合于航空及海洋地球物理勘探中高精度磁测量，也可用于水下小目标探测。

2.2 磁力测量技术的发展我国的海洋测绘包括磁力测量在1994年以后随着GPS技术应用取得了突飞猛进的发展[8]，尤其是在沿岸GPS差分技术、广域差分技术、精密单点定位技术、星际差分技术、实时动态定位技术、连续观测站技术在控制测量及海上定位中得到了广泛应用。除了美国的GPS以外，俄罗斯的GLONASS和我国的北斗卫星定位系统也被少量应用。同时，多个与海洋测量调查有关的专项陆续得到国家大批资金的支持，测量调查海域覆盖我国管辖海域和部分西北太平洋海域，测量调查要素包括水深、重力、磁力、地质、水文等，尤其是多波束水深测量系统在海军、海事局、海洋局、地调局等部门得到空前广泛的应用。

1994年开始设计建造中远海综合测量船，到目前为止已经建造了多艘6000吨级的中远海综合测量调查船，装备有水深、重力、磁力、底质、定位、水文等测量调查设备30多项，大大提升了中远海海洋测量能力，体现了海洋测量的信息化、采集要素的多样化、数据处理的实时化。

海洋磁力测量作为海洋测量作业内容之一纳入了年度海洋测量任务。航空磁力测量覆盖了我国的渤海、北海、东海和南海。海军大连舰艇学院对海洋磁力测量理论和方法进行了深入系统的研究，并撰写了海洋磁力测量专著。

2.3 磁探测目标技术的发展国内外的磁探测目标技术的研究随着磁场传感器的测量精度不断得到提高而发展起来的[9]，在军事上，美国海军研究所研制了磁力异常信号导航系统。该系统可以对水雷等目标进行自动搜索和二维的定位。美国海岸系统局已经建立了一套磁性目标的探测、定位、识别系统[10]，正在积极开发研究埋藏在水下的地雷等相关武器的磁力异常探测、定位以及识别装置。加拿大海军也也正在研究并建立了水下电磁信号的研究机构，研究常规武器的电磁分布，并建立了相关的电磁分布模型。美国昆腾电磁科技公司在研究此异常目标技术的远程控制以及监视[11]。

尽管如此，然而国内利用磁力异常进行目标定位的技术在军事上的应用处于探索和初步应用阶段，在磁场模型的建立等方面还有大量的工作需要进行深入的实验研究。磁力测量数据中关于磁力异常信号的目标探测技术，集中在理论分析上，在应用上远远落后于发达国家。在涉及水运工程的通航安全上，磁力仪虽然已经被广泛的应用，但磁力异常数据的采集、分析处理仍然不够，需要针对通航安全的固有特点，对磁力测量异常数据的处理和目标的定位进行系统的研究，解决相关技术问题。

3磁测技术在该领域的展望

基于通航安全领域的水下磁力异常的目标探测技术，一方面探索在目前通航安全研究领域内磁力测量数据处理的理论方法和手段，其实质就是提取磁力测量信号，并根据磁力测量信号的区别，分析并分离磁力异常信号，进而对产生的原因进行定量分析，并最终确定磁力异常目标的位置。利用磁力异常剖面图、磁力异常平面剖面图和等值线图等不同方式对水下磁性体进行定位的方法研究；并对不同手段的定位精度进行分析。应着重研究了不同磁物体的数据采集和处理、不同的插值方法和滤波方法对磁力异常目标的确定定位带来的影响，给出了适合采用的数学方法；同时研究将微分变换应用于弱磁异常的发现中，借助磁异常一阶或高阶导数，增强了弱磁异常的表达和呈现，方便了磁性体目标的发现和识别能力。

另一方面通过工程实践，根据理论方法对工程实践中的数据进行处理、分析、比较和验证，得出适合不同物体和磁力异常目标定位的方式和方法，从而为通航安全区域内的障碍物查找、清除提供基础数据。通过工程实践，借助理论方法对工程实践中的数据进行处理、分析、比较和验证，给出适合不同物体和磁力异常目标定位的方式和方法，从而为通航安全区域内的障碍物查找、清除提供理论支持和方法验证。同时在借助其他领域的磁力探测手段的基础上研究在水运工程的通航安全领域中的地磁测量方法研究：主要研究在地磁测量中的布线设置以及不同磁力仪器在不同地区的磁力测量最佳测量方法；地磁数据质量控制：主要是如何减少人工剔除含有粗差数据的处理，以及采用合理的数学模型对数据的质量进行严格控制；日变平滑及日变改正：布设日变站的最优方案；减少日改正的影响改正。船磁建模及船磁改正；如何减弱船舶对地磁测量的影响，以及建立合理的减弱船磁影响模型和改正方法；拖鱼位置归算等。

总之，展开在通航安全领域的水下磁力异常的目标探测技术研究，加强磁力测量数据处理的理论方法和手段，分析并分离磁力异常信号，进而对产生的原因进行定量分析，并最终确定影响通航安全的磁力异常目标的位置具有十分重要的意义。

参考文献：

[1]管志宁.地磁场与磁力勘探[M].北京：地质出版社，2005.

[2]毕永良，孙毅，黄谟涛，陈洪云，翟国君，欧阳永忠，陆秀平.海洋测量技术研究进展与展望[J].海洋测绘，2004年03期.

[3]wiiiiams.Improvement of The signal To noise Ratio Of The Magnetic detection systemUsing The Geological Magnetic Filter SPIE.2003.

[4]Michal.A New Perspective On Magnetic Sensaring.www honeywell.Com.

[5]Yacine dalicilachaouch.Magnetic tensors for Battiefield Applications.SPIE.2001.

[6]任来平，赵俊生，翟国君等.磁偶极子磁场空间分布模式[J].海洋测绘，2002，（2）：18~21.

[7]Sheldon Ereiner.Applications Manual for Mortable Magnetometers. 2001.

[8]任来平，张启国，马刚.水下铁磁体的海面磁场计算模型研究[M].海洋测绘，2004，24（6）：16~20.

[9]边刚，刘雁春，翟国君.一种确定地磁日变改正基值的方法[J].海洋测绘，2003，23（5）：9~11.

[10]袁景山，梁放，关英梅等.地磁场时空差异对磁测精度影响的探讨[J].东北地震研究，2003，19（2）：41~45.

[11]杨鲲，吴永亭，赵建虎等.海洋调查技术与应用[M].武汉大学出版社，2009.

[12]姚俊杰，孙毅，赵宏杰.地磁日变观测数据理论分析[J].海洋测绘，2002年06期.

[13]于波，刘雁春，暴景阳，边刚，肖付民.海洋磁力梯度测量的误差源分析[J].海洋测绘，2006年01期.

[14]刘雁春，肖付民，暴景阳等.海道测量学概论[M].北京：测绘出版社，2006.

[15]刘雁春.海洋测深空间结构及其数据处理[M].北京：测绘出版社，2003.