海洋磁力仪与多波束系统相结合在沉船探测中的应用

谢照生

（福建省港航管理局勘测中心 福建福州 350009）

1 引言

21 世纪海上交通运输一直占据重要地位，尤其“一带一路”合作倡议提出后，确保海上运输安全则是重中之重。由于贸易来往船舶频繁，沉船事件也屡见不鲜，为确保航道正常使用及通航安全，需要对沉船探测并进行清障。沉船探测的手段以海洋地球物理调查方法为主，根据不同的实际条件和探测目的，往往需要多种探测手段相结合来实施。本文以实际案例为背景，介绍分析了海洋磁力仪及多波束系统相结合在沉船探测中的应用。

2 探测原理

2.1 海洋磁力仪探测原理

由于船舶的制作材料主体为铁磁性物质，在地磁场的作用下具有较强的磁性即磁异常，海洋磁力仪探测的总磁场强度数据经过处理后，可以得到船舶产生的磁异常，以此识别目标体，技术方法可行。目前比较常用有代表性的磁力仪一般为Overhauser质子磁力仪和光泵磁力仪。

（1）Overhauser 质子磁力仪原理是：利用人工磁场将氢原子核极化，当切断人工磁场后氢原子核在自旋惯性力和地磁场力作用下做拉莫尔旋进，旋进角速度ω 与地磁场强度T 大小成正比[1]，关系式为：

根据式（1）即可求出T，其中γp为常数质子磁旋比。

Overhauser 质子磁力仪使用一种溶有自由电子的富氢液体并进行射频（RF）磁场极化，通过电子与质子耦合效应，自由电子的极化强度传递给了质子，只需外加比较弱的人工射频场，即可获得较高的灵敏度和采样率[2]。

（2）光泵磁力仪原理是：利用高频电场将原子从基态变为亚稳态，再用特定波长的光经透镜、滤光器、偏振片后照射亚稳态原子，原子吸收光子发生能级跃迁，平衡后原子处于同一塞曼子能级上，不再吸收光子，光信号最强[3]。再对此时的原子外加特定条件的射频场后，原子继续吸收光子，光信号最弱。通过感知光通过原子的信号强弱来确定射频场频率f[4]，f 与外磁场强度成比例f=KH，K 值可以精确测量，只须测得射频场频率f 即可。

2.2 多波束探测原理

多波束系统在海洋工程领域应用十分广泛，不仅仅用来测量水深，由于其系统自身的特点可以形成三维点云，对海底特定目标体也具有较好的分辨识别效果。目前常用的多波束系统可以发射和接收几百个具有特定指向性的声波，实现几百个点的“线”测量，随着测量船的航行前进，则实现“由线到面”的测量。

多波束形成的基本原理是：每个波束是由若干个阵元发射的声波通过相位延迟方法叠加形成的。发射基阵发射的波束与接收基阵接收的波束具有同向性[5]。其中呈正交性的发射、接收扇区在海底的投影为波束脚印，通过声速剖面改正、姿态改正和水位改正，结合定位数据将波束脚印进行归位，获得真实的水深数据[6]。

图1 波束的几何构成示意图

3 沉船探测应用

本文以闽江水域某处沉船探测为例，为了达到本次的探测目的，采用海洋磁力仪与多波束系统相结合的方法来实现。

下面具体介绍海洋磁力仪及多波束系统在本次沉船探测的实际应用方法并进行了数据处理和分析。

3.1 海洋磁力探测

本文以Marine Magnetics SeaSPY2 海洋磁力仪为例，来介绍海洋磁力探测的实际应用方法及数据资料处理流程。SeaSPY2 海洋磁力仪属于Overhauser质子磁力仪，具有体积小、灵敏度高、无盲区及无进向误差等优点，是海洋工程使用最广泛的海洋磁力仪之一。具体性能指标见表1。

表1 Marine Magnetics SeaSPY2 海洋磁力仪主要技术参数

（1）海洋磁力仪探测实施

1) 地磁日变站布设

由于地磁场强度是时间和空间的函数，随时间和空间的变化而变化，为了准确探测出沉船产生的磁异常，需要设置地磁日变站，以便后期数据进行地磁日变改正。

根据前人多次实测数据分析总结出：地磁日变曲线的影响因素纬度差异占主体，经度差异影响甚微，因此地磁日变站设置的纬度应与测区纬度的差异尽量小，即满足地磁日变站的有效作用距离。根据磁测精度等级的要求，日变站有效作用距离要满足一定的条件。目前日变站有效作用距离并没有明确的计算方法，可根据国内学者多次实测数据分析得出的结果进行布设。具体见表2.

表2 地磁日变站有效作用距离（推荐值）

本次探测地磁日变站选取开阔、无其他磁力干扰区域进行布设，与测区纬距相差15.8km，可以达到上述要求。地磁日变站在磁静日进行观测，观测时间覆盖测区实际磁力探测时间。

2) 磁力探测实施

本次海洋磁力仪采用拖曳式安装，拖体距测量船距离为3 倍的测量船长，在距拖体10m 处加装无磁性配重块来增加拖体的入水深度，提高探测效果。探测过程中，调查船尽量沿布设测线匀速、直线航行，技术人员实时查看磁测数据，发现磁异常后进行定位标记，圈定磁异常位置。

3) 船磁校正探测

由于测量船本身对海洋磁力仪也会产生磁力干扰，因此测区完成探测任务后，需要在磁异常平静区域进行船磁校正探测，采用八方位探测傅里叶级数方法进行船磁校正。

（2）海洋磁力探测数据处理：

磁异常计算公式为：

式中：ΔT 为磁异常值；T 为磁场测量值；Tn为地磁正常场值；Td为地磁日变校正值；Ts为船磁校正值[7]。利用国际地磁参考场IGRF12 模型进行正常场校正[8]。为了得到沉船的磁异常值，数据需进行必要的处理，具体处理流程如图2 所示。

图2 数据处理流程图

3.2 多波束系统探测

本文以SeaBatT50P 多波束系统为例，来介绍多波束系统在本次沉船探测中的实际应用方法并进行了数据处理及分析。SeaBat T50P 多波束系统主要技术参数见表3。

表3 SeaBat T50P 多波束系统主要技术参数

（1）多波束探测实施

1) 设备安装调试

本次探测多波束系统换能器在1/2 船长处侧舷安装，准确测量姿态传感器及GPS 天线与多波束探头的相对位置，并在导航及采集软件中进行相应设置，确保坐标系统建立准确。

2)多波束系统校准

多波束测量前需要选取特殊地形区域进行横摇（Roll）、纵摇（Pitch）、艏摇（Yaw）的校准工作，是保证多波束脚印正确归位的重要因素之一。校准参数在数据处理时进行计算得到。

3)多波束探测实施

在多波束探测时需同步进行潮位观测，在多波束探测实施前、中、后分别测量声速剖面，用于后期声速剖面改正，前期准备工作均做好后进行正式探测。发现沉船目标时，多次往返测量确保沉船被点云完全覆盖。

（2）多波束数据处理

多波束数据需进行必要的后处理才能获取准确的测量结果[9]，具体处理流程如图3 所示。

图3 多波束数据处理流程图

4 分析讨论

本次沉船探测的目的是快速确定沉船的位置信息，并获得沉船附近区域的水深资料，为后续打捞清障工作提供基础数据，因此首先应用海洋磁力探测快速确定沉船的位置信息，再利用多波束系统对沉船及附近区域进行全覆盖扫测，获得水深数据。

海洋磁力探测过程中可实时观测磁场强度剖面，当发现磁异常时可快速确定位置。实测的总磁场强度剖面如图4、5 所示，可以看出剖面一种呈“单峰/单谷”形态，另一种呈“一峰一谷”形态。当剖面呈“单峰/单谷”形态时，磁异常体——沉船位置位于波峰/波谷处，当剖面呈“一峰一谷”形态时，磁异常体——沉船位置位于波峰波谷相互转变的平衡位置处，根据此判断原则，快速确定了沉船的位置信息。

图4 沉船探测总磁场强度剖面图（一）

图4 沉船探测总磁场强度剖面图（二）

据数据处理后获得的沉船磁异常值，利用插值方法绘制了测区的沉船磁异常等值线图和沉船磁异常三维图（见图5、6）。从图中可以看出，测区中部磁异常值非常明显，数值较大，其他外侧区域磁异常较为“平静”，沿S-N 方向存在两对“波峰——波谷”可以判断出存在两个磁异常体，且东侧磁异常值较西侧磁异常值高，说明东侧磁异常体较西侧大。

图5 沉船磁异常等值线图

图6 沉船磁异常三维图

根据海洋磁力探测确定的沉船位置来进行多波束扫测，扫测数据经过处理后得到了测区的水深数据，并对多波束点云进行分析，可以清晰的分辨出沉船轮廓及在海底面的姿态情况，如图7 所示。

图7 沉船多波束点云图

从多波束扫测数据确定的沉船位置信息与海洋磁力探测结果比对，位置信息高度符合，沉船的规格尺寸约为70m×20m，船体在船楼部位断裂为两部分，其中船尾部分小（西侧）、船首部分大（东侧），与海洋磁力探测结论一致。沉船前部主体平卧于海底，船艏指向SE 方向，船艉侧翻于海底，尾部指向NW方向。

5 结束语

对于沉船探测有多种探测手段，如侧扫声呐探测、多波束扫测、海洋磁力探测及高分辨率浅地层剖面探测等。每种探测手段都有自己的局限性，需要根据已掌握的资料和实际情况综合分析来制定最高效、最可靠的探测方案。

本文所依托的福建省闽江水域某处的沉船探测项目，考虑到测区沉船时间已多年，且闽江水域悬浮泥沙含量较大，受台风影响频繁，不确定沉船是否已被掩埋，所以首先采用海洋磁力探测沉船。由于沉船未被掩埋，多波束扫测得出的沉船信息与海洋磁力探测的结果进行对比，结论一致。

根据本次沉船探测可以总结分析得到如下结论：

（1）海洋磁力探测对铁磁性材质沉船探测定位是一种快速、有效的探测手段；

（2）海洋磁力探测不仅可以探测露出海底面的沉船，也可探测被沉积物掩埋的沉船，这是侧扫声呐和多波束不具有的优势，海洋磁力仪在沉船探测方面应用场景较为广泛；

（3）海洋磁力探测还可根据磁异常体产生的磁异常值估算出铁磁性材料的质量；

（4）多波束系统对露出海底面的沉船扫测是一种获得沉船详细信息的有效手段，包括沉船位置及尺寸信息、沉船的沉没姿态、沉船及附近区域的水深条件等；

（5） 根据探测的实际需求，往往需要多种探测手段相结合来完成，在沉船探测应用方面，海洋磁力仪与多波束系统相结合是一种行之有效的方法。