海底定向技术：原理、结构与应用

徐行, 吴琼, 涂君, 陈凯, 王浩森

1 广州海洋地质调查局， 广州 510760 2 中国地震局地球物理研究所， 北京 100081 3 中国地质大学(北京)， 北京 100083 4 南方科技大学， 广东深圳 555001

0 引言

当今海洋地学领域新理论、新学说的产生,以及海底地质构造调查研究与矿产资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术及各种高分辨、高性能、高精度探测仪器的结果(王蛟和莫杰，2015).现代海洋地学亟需高新海洋调查技术支撑.在常规海洋调查技术基础上，引入海底定向技术，可更好地揭示海底沉积物中物质组分和地球物理属性的各向异性特征，从而有效地示踪海底沉积物物源方向、应力场分布、古地磁偏角等，极大地拓展研究领域，提高海洋科学研究的成果水平.因此，海底定向技术方法及应用研究将是目前海洋技术领域的前沿科学问题.

长期以来，海底定向技术受限于其工作环境和制作成本等因素，技术发展迟缓.现今海底地质取样、探测和观测设备大多数由铁磁性金属材质制造而成(耿雪樵等，2009；蓝先洪等，2014)，部分还带有电子设备，因此对定向技术有较为严苛的需求.传统定向设备通常分“光纤惯导”和“磁罗盘”定向两大类.其中，光纤陀螺寻北仪技术不受海底设备的磁性与电磁干扰，系统定向精度高，但结构复杂、价格昂贵、功耗大和时间累积误差大，难以满足工程应用中快速定向的需求(张德宁等，2006；蒋庆仙等，2010).与光纤陀螺寻北仪相比，矢量磁力仪简易便捷(Lenz,1990)，可快速连续采集姿态测量信息.但后者会受设备周围的环境磁场影响，尤其是海底设备产生的附加磁场会产生测量误差(常称之为“罗差”)，需要罗差改正(磁补偿)(李秉玺等，2003).如果对海底设备磁补偿不合理，系统定向测量的可靠性将大大降低.因此，提高海底定向技术可靠性的关键在于两个方面的突破：1)消除海底定向中的环境磁场影响；2)罗差改正之后的设备系统定向精度评估.

本文将对自制海底定向设备(下文简称，海底磁方位仪)的工作原理、磁补偿技术方法及误差分析作系统介绍.通过结合海底原位探测设备磁补偿和精度分析的工程案例，我们将进一步详细探讨上述技术问题，为该技术方法在海洋地学调查和研究的推广提供示范.

1 海底定向技术

根据已授权的国家发明专利(ZL201810448229.X)(中国地震局地球物理研究所，2019)中的权力要求，我们研制了海底磁方位仪(图1a).它具有耐压、水密和防腐等特点，是一种自容式姿态测量设备，适合海洋地质取样和原位测量.

1.1 测量系统的结构

海底磁方法仪的测量主体(图1a)由耐压密封舱及其内置的姿态测量传感模块、数据采集记录模块和供电电池三个部分组成(图1b).其中，姿态测量传感模块包括微机电系统(MEMS)微型固体摆构成的倾角传感器和矢量磁力仪，两者的输出端连接数据采集记录模块，内部供电电池维系设备中的电子单元供电.

1.2 工作原理

海底磁方位仪的运行分三个步骤： 1)利用内置的MEMS微型固体摆，测量载体俯仰角(Pitch，本文用Φ表示)和翻滚角(Roll，本文用θ表示)；使用其内置的矢量磁力仪，感测环境磁场强度，获得在载体坐标系下X′、Y′、Z′轴的三个分量.2)建立载体坐标系下X′、Y′、Z′与磁地理坐标系下X、Y、Z的三个分量间的坐标变换关系,确定载体在磁地理坐标系下的艏向角(Heading，本文用γ表示).3)修正当地的磁偏角，得到地理坐标系下的γ.当地的磁偏角依据国际地磁参考场(IGRF)计算获得.

图1 (a) 设备的外观; (b)功能结构框图Fig.1 (a) The equipment′s appearance, andits (b) function and structure

海底磁方位仪的姿态测量数据采集分两部分： 1)Φ和θ的测量方法是把磁方位仪刚性连接到海底设备，投放到稳定后，使其姿态保持稳定.采用内置的MEMS微型固体摆，获得稳定状态下的Φ和θ.由于在稳定状态下Φ和θ不受环境磁场影响，作为已知参数参与γ解算之中；2)利用磁方位仪内置的矢量磁力仪，采集和记录在载体坐标系下的X′、Y′和Z′分量.然后，根据公式(1)(Caruso，1997)，求得在磁地理坐标系中X和Y方向的分量值Hx和Hy.最后，根据公式(2)，得出载体在地理坐标下的γ.

(1)

(2)

载体坐标系与磁地理坐标系之间存在转换关系(图2a).由于获得的磁坐标南北极与地理南北极之间存在一个磁偏角(图2b)，经过当地的磁偏角修正后，磁地理坐标系下的艏向角可以转为地理坐标下的艏向角.

图2 (a) 测量坐标系之间的关系示意图; (b) 地磁极与地理北极的关系示意图Fig.2 The schematic diagram relationship between (a) the measuring coordinate systems and (b) geomagnetic pole and geographical North Pole

1.3 磁补偿校正

受磁方位仪自身存在测量误差及工作环境外磁场干扰的影响，实际的测量精度不仅与其标称精度有关，也与实际工作环境及安装方式和姿态有关.其误差具体可分为两类(奚普周等，1995)：一是自身误差，包括制造误差、安装误差，具体表现在输出的信号质量；二是周围工作环境因素造成的误差.当磁方位仪刚性连接在海底设备时，其输出的测量信息由设备产生的相应“附加磁场”与“地磁场”叠加组成.其中，由于海底设备制作材质原因，本项研究中的附加磁场是产生“罗差”的主要贡献者，其精度影响可达几十度.由于罗差远大于磁方位仪自身产生的制造误差及其安装误差，仅依靠调整硬件设计和安装方案很难压制干扰，必须要在数据处理中用校正方法来消除磁干扰，最终实现系统的磁补偿.在进行罗差改正实验之前需要分析以下三个问题：

(1) 由式(1)可知，当Φ和θ分别接近90°的时候，Hx和Hy中载体坐标系下的X′、Y′对应的投影会减小为0，此时输出的艏向角γ将不再反映实际的航向，即磁方位仪测量得到的艏向角误差会随着Φ和θ的增加而增加.同时实验室测试结果表明，当保持Φ和θ接近70°的条件下测量得到的艏向角与Φ和θ接近0°时得到的航向角之间的误差最大不超过1°，大于70°且不超过85°时该误差最大为1.5°.因此在罗差改正实验中，需要保证Φ和θ不超过70°以获得罗差改正的标称精度.

(2)由于海底设备对磁方位仪的影响是一个固定的偏差，而在实际测量和罗差改正中，方位仪与被测设备的安装位置固定，罗差改正实验又会选择在弱磁环境下完成，因此源自海底设备自身的磁扰误差将在罗差改正中被修正而不会影响测量精度.这样做的效果是在实际作业中，如果实际测量环境中不存在明显磁扰的条件下(实际上大多数深海探测的作业环境均满足这一要求)，姿态测量的结果始终是稳定输出的，通过已有的罗差改正参数，可以补偿探测器自身磁扰带来的测量偏差，从而获得在精度范围内的测量结果，且无需重复罗差改正实验.

罗差是磁方位仪测量方位时的系统误差，它由磁方位仪所处地磁场和其周缘的铁磁材料、电器设备等产生的附加磁场叠合所产生.罗差使磁方位仪不能准确获得地球磁场下定向信息，对设备系统定向精度影响很大.根据干扰磁场的大小和方向的变化情况，罗差本身又可分为由硬磁材料引起的和由软磁材料引起的罗差两个部分.

(3)通常，磁方位仪本身所产生的磁场远小于硬磁材料，围绕磁方位仪的硬磁材料所产生的磁场可近似为均匀分布.由于磁方位仪刚性连接在海底设备上，其姿态变化不会改变硬磁材料产生的合成磁场在三个轴上的分量，并且所造成的误差随艏向角在0°～360°变化时近似于正弦曲线，也称半圆罗差.软磁材料本身不产生磁场，但被附加磁场磁化后，将影响其周围磁场，它所引起的误差大小相对于海底设备方向随外界磁场的变化而浮动，可再分解为两部分：一部分是大小和方向均不变的误差，即圆周误差，另一部分是与2γ成近似正弦曲线的象限罗差.具体计算公式可表达如下：

1)硬磁材料引起的罗差计算可近似用公式(3)表示：

Δγ1=Bsin(γ)+Ccos(γ).

(3)

2)软磁材料引起的罗差计算可近似用公式(4)得到：

Δγ2=A+Dsin(2γ)+Ecos(2γ).

(4)

3)总罗差计算可用公式(5)表示：

Δγ=A+Bsin(γ)+Ccos(γ)+Dsin(2γ)

+Ecos(2γ).

(5)

4)罗差改正后的实际艏向角，可用公式(6)得到：

γc=γ-Δγ.

(6)

在公式(3)—(6)中，Δγ1、Δγ2分别为硬磁材料和软磁材料引起的罗差，Δγ为总罗差，γ为罗差改正前磁方位仪的输出艏向角，γc为罗差改正后的在磁地理坐标系下的实际磁方位角.公式(5)中的A、B、C、D、E为罗差改正系数.

参照一个标准定向设备或一组精确的定向标记，将安装有磁方位仪的海底设备放置在旋转平台上，标准定向设备和磁方位仪两者的指向重合，旋转二到三圈.按每“角度等分”或“等时间”提取一组数据(标准设备产生的艏向角和磁方位仪的艏向角)进行平均计算，获得两者之间的对应值.求取罗差改正系数记误方程如公式(7)(邵婷婷等，2007；徐南荣，1986)，按照标准最小二乘算法，得到参数矩阵的最优估计公式(8)，进而可按照式(5)、(6)实现罗差校正.

U·C=H，

(7)

C=(UTU)-1UTH,

(8)

其中：

在上述计算公式中，n为观测数据组数，对应的γn为第n组磁方位仪测量的组平均值，γn0为当磁方位仪进行第n组测量过程中被测设备的真实艏向角.该值须用更高精度的、不受磁环境影响的定向设备(如，Octans罗经)测得，以减少罗差改正中的误差传递.磁方位仪的精度评估方法是：先对磁方位仪实测数据进行罗差改正计算，磁补偿后的测量结果再与标准定向设备同时段测量结果比较，最终用其差值来确定罗差改正的效果，包括最大、最小误差及其误差范围.

1.4 技术特点和技术指标

本文中的磁方位仪具有结构简单、成本低、功耗低、测量快速和准精等技术优势.其主要的技术指标是：1)外观尺寸：25×12×18 cm3(H×D×W)；2)重量：3.8 kg；3)姿态测量精度: 艏向角:3～5°；俯仰角和翻滚角：±0.3°；4)功耗：5 mW；5)数据通信接口：RS232(USB)；6)数据采样率：1 s，2 s，5 s，10 s，60 s(可选)；7)数据存储：6000组；8)时钟精度：±50×10-6@TAU=1 s；9)工作水深：4000 m.此外，还可根据海底定向的实际要求，对本文的磁方位仪在耐压深度、数据容量和工作持续能力等方面进行技术升级，扩大其适用范围，提高其技术性能.

2 典型的应用场景

陆域的定向技术在地学基础研究、地球物理观测和地质勘查等行业被广泛使用.例如，定向钻探、古地磁学研究中的定向取样、地面或井中地震观测和地震前兆观测中的设备定向等.受限于海底定向技术的发展，以上这些海域的定向技术方法及应用研究相对迟缓.

2.1 海洋磁学研究

在沉积过程中，沉积物中含有的铁磁性矿物会沿当地的地磁场方向排列，从而记录了古地磁场的信息.在古地磁学研究中，野外采集岩芯时需要定向，最终在室内测量和还原样品中古地磁场的记录信息.在陆域，因定向技术门槛低，容易实现和普及，目前的古地磁采样中几乎都采用了磁罗盘定向技术.而在海域，受海底定向技术发展限制，在深海沉积物古地磁采样中，很少学者会在取样器上配备方位仪.因此，现今绝大多数的深海沉积物古地磁采样过程中只有上下定向信息，而没有水平定向信息；海洋沉积物磁学研究中只有磁倾角随深度不同的变化信息.在中低纬度海域，因磁倾角较小，若无磁偏角信息，会严重影响海洋沉积物的古地磁研究成果的质量.

在沉积物的古地磁研究中，目前只能单一的利用磁化率各向异性(AMS)椭球体主轴进行确定(张淑伟等，2017).由于在沉积过程中，物质会受到重力、生物扰动等因素的影响，故沉积物的原生AMS可能会受到改造，无法反映真实的磁化率主轴方向.倘若应用沉积物的偏角变化信息，可以更好地展示踪物质来源.在虚地磁极(VGP)路径研究方面，VGP的变化主要基于沉积物特征剩磁(ChRM)的倾角与偏角的变化而确定，目前VGP路径的确定只局限于陆地古地磁样品(Liu et al., 2018).若采用海底定向技术，可突破陆地研究的区域限制，在不同海域的海底沉积物中获取不同时间尺度的VGP路径.海-陆域的VGP路径结果结合起来，能进一步推动地球内部动力学机制的研究工作.

在海洋重力柱状取样器或重力柱状活塞取样器上，配备磁方位仪，可实现对于取样器的姿态监控测量.由于绝大多数取样器都是带有强铁磁性的钢铁和无磁性的铅质材料构建而成，会产生一定的附加磁场.在开展外业前或外业后，必须进行罗差校正的测试.具体方法如下：将设备和磁方位仪装配于一体，与参考设备一起放置在旋转平台上，两者的向北指向重合；在地磁场平静时的弱磁环境中，测量两者在旋转过程中各个方向的对比数据；通过获得的两组对比测量数据，计算出罗差改正系数，再进行磁方位仪的罗差校正；最后进行磁偏角的修正，将磁地理坐标下的方位角变换到地理坐标下，完成海底定向.详情如图3所示.当使用重力柱状取样器在海底采样时，需要在柱状取样器内的衬管上做标志，确定和记录其标志与磁方位仪的指向之间的相互关系，最后实现采集样品的海底定向.

图3 沉积物柱状取样器及其磁方位仪安装示意图(小方格充填为磁方位仪)Fig.3 Installation diagram of sediment column sampler and its magnetic azimuth meter (The small squares filling partrefers to themagnetic azimuth meter)

2.2 海底大地电磁测深

海洋电磁法是研究地壳和地球深部电性结构与构造的地球物理方法，自20世纪70年代被提出，在海底板块构造(Key and Constable，2002；Constable et al.，1990，1997)、油气勘探(Hoversten et al.，2000)和水合物调查(Weitemeyer et al.，2011)方面发挥了重要作用，尤其在地震勘探方法难以奏效的区域(火成岩、碳酸岩、盐丘等)，应用效果尤为显著.

作为电磁探测技术方法的分支之一，大地电磁测深以天然交变电磁场为场源，当交变电磁场以波的形式在地下介质中传播时，由于电磁感应作用，海底电磁场的观测值将包含地下介质电阻率分布的信息.海底大地电磁测深(MMT)海上作业时，需要借助海底电磁接收机实现海底电磁信号的采集与记录.海底电磁接收机由作业船投放至水面，接收机借助自身的水下重量自由下沉.当设备到达海底时，其方向完全随机，很难能将测量主轴(电极方向)和电性主轴(测线方向)两者重合；但在后续资料处理过程中，则需要将测量主轴上的张量阻抗旋转到电性主轴上来(蔡军涛等，2010；卓武等，2017).因此，准确地对海底设备进行定向是其中的重要环节，以求得设备坐标系下电磁场方向为基础，在将设备载体坐标系从X′、Y′、Z′变换到磁地理坐标系X、Y、Z.为获取海底接收机的布极方向，需要在接收机上加装姿态测量装置获取三轴的姿态信息实现海底仪器定向(陈凯等，2017).

图4 海底电磁接收机结构示意图(小方格充填为磁方位仪)Fig.4 Schematic diagram of submarine electromagnetism receiver′s structure (The small squares filling partrefers tomagnetic azimuth meter)

在海底电磁接收机上，需选择磁方位仪作为姿态测量装置(图4).海底电磁接收机在建造过程中，最大程度上选择无磁材料制作，但仍不可避免存在弱磁性部件(如水声通讯模块的变压器、不锈钢压力舱等).为提升磁方位角测量精度，必须要消除海底电磁接收机本体产生的附加磁场成分，也就是消除“罗差”.解决问题的方法如下：在外业前，将安装有磁方位仪的海底电磁接收机设备运至在弱磁环境下，测量设备在各个方向上的磁场测量，求取罗差改正系数，最后获得总罗差的计算值，从而达到消除罗差的目的.经过罗差改正之后的磁方位仪，可获得磁地理坐标系下的磁偏角值.参考国际地磁参考场(IGRF)，进行磁偏角改正，最后获得地理坐标系下的方位角.

2.3 海底原位测试

海底原位探测种类很多，有来自土力学、地球物理和地球化学参数的原位测试项目.本文以海底地热流探测为例.大地热流是了解地球内部热状态的一个重要参数, 不仅可以提供地壳和上地幔的热结构、块体的活动性以及水热活动等信息，还是了解沉积盆地有机质成熟史以及天然气水合物稳定存在深度的关键参数(徐行等，2006).

海底地热流测量是揭示海底沉积物热状态和热结构的技术方法.传统的海底地热流探测与基础研究，均以一维均匀介质的热传导方程的理论为基础，得到的只是垂直于地平线法线方向的垂向地热流值.传统海底地热流测量产出的数据虽经过了倾斜改正，能反映出地热流大小的分布趋势，但个别值总体上比较离散.这种现象常被解释为受地下流体活动的影响，但原始热状态绝非如此简单.在各个地层中的热量传输过程具有各向异性的特征，这种等效矢量流体具有模量大小和方向变化的特征.若要客观真实地反映海底表层沉积物的地热流信息，则需在探测技术上需要获得各个方向的地温梯度，其中的定向信息至关重要.

海底的三维热流探测装置如图5，该装置是根据国家发明专利(ZL201711269063.7)(广州海洋地质调查局，2018)中的权力要求定制的.在探测装置的坐标系中，获得不同垂直方向和水平方向的地温梯度信息，再通过倾斜和磁方位信息转换到地理坐标系下的各个方向的地温梯度信息，从而实现三维地热流探测.其中姿态测量中的倾斜角和方位角是实现两个坐标系转换的主要参数.再者，由于整个测量装置的支架是由铁磁性材料构建而成的.使用前及使用后均需要将磁方位仪测量方位和整个测量装置安装一起做系统的罗差改正，然后再做磁偏角改正，最终将野外的实测数据(载体坐标系下)换算到地理坐标系下的方位角.

图5 三维热流探测装置与旋转平台的关系示意图(小方格充填为磁方位仪)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 应用实例及其数据分析

以本文研发的“海底三维地热流原位探测装置”(下文简称，三维热流探测装置)的罗差改正为例.罗差改正测试地点选在广东省肇庆地磁基准台内，其周缘的外界干扰磁场小，磁场梯度平缓.根据空间形势预测，测试时间为北京时间2019年11月29日，在该时间段中太阳活动水平低，以微扰为主.测试参考标准设备为Octans罗经，主要技术指标为：艏向角动态精度：±0.1°RMS Secant Latitude；起伏精度：5 cm或5%振幅；横滚角和俯仰角动态精度：0.01°；稳定时间：30 min.最小化源自测试场地、测试期间地磁场活动性以及参考设备的误差，适合罗差校正的技术需求.测量时间均以北京时间为参考时间.

3.1 校正试验

如图5所示，上面部分为需罗差改正的设备—三维热流探测装置.由五根长度为3 m的钢矛、一个固定支架和12个铅制圆盘构建构成.其中，在每根钢矛上安装了3支温度测量记录计(下文：简称“飞鱼探针”)，飞鱼探针在空间中均匀分布.校正试验需要旋转平台和试验场地两个条件，其中的旋转平台及相关的紧固件和连接件制作中均由弱磁材料构成，校正试验场地利用精度优于0.1 nT的总强度测量仪器进行密跨度测试，测试结果进行日变改正后水平梯度不超过2 nT/m(中国地震局，2004).从而保证设备在磁补偿之后的罗差修正值皆来自三维热流探测装置自身，与环境和校准装置无关，故校准参数可直接用于实际测量.

在校正试验中，把磁方位仪和三维热流探测装置刚性连接，磁方位仪放置在设备顶部的中央位置.Octans罗经固定放置在旋转平台上.其中，磁方位仪的刻度0°与Octans罗经0°指向一致.当Octans罗经和磁方位仪在同步旋转过程中，产出了二套数据：一是磁方位仪随时间变化的数值；二是Octans罗经随时间变化的数据.数据的主要信息为：时间、艏向角、起伏、横滚角和俯仰角等数据.旋转平台旋转二圈之后，按Octans罗经信息中约15°提取一组数据，其中每组数据记录时间不少于60 s，采样间隔为2 s.将每组数据进行粗差剔除后计算平均值作为测量结果，本文试验共获取25组的测量时间、Octans参考值和磁方位仪测量值.每组的测量时间对应本组开始正式取数的时间，具体测量结果见表1.

表1 罗差改正前后相关测量值(测量单位：°)*Table 1 The measurement values before and after compass deviation compensation (unit: °)

3.2 数据分析和精度分析

根据记误方程的公式(7)及其矩阵公式(8)，将表1的测量结果代入求取罗差改正系数.在计算中，由于磁方位仪的测量结果中含有罗差，当Octans罗经测量数据未达到360°时，磁方位仪的测量数据已超过360°，使得这个对应关系中不仅有罗差影响，还有2π的圆周误差.为避免这种情形，在计算过程中舍弃表1中的11和23行数据，因而，数据数组值n为23.求得罗差改正系数之后，通过公式(5)和公式(6)可获得磁补偿后的磁艏向角γc；通过MATLAB语言实现了改正计算，得到的罗差改正系数A=-0.0209；B=-0.4384；C=-0.4590；D=0.1636；E=0.0021.

图6揭示了Octans罗经和磁补偿前的磁方位仪两者同步测量数据的变化曲线.左侧的纵坐标刻度代表了方位角，变化范围为0～360°.右侧的纵坐标(红色)的刻度代表了偏差，范围从-60°～60°.两套测量系统曲线变化趋势是一致的，但其偏差在-30°～50°范围之内.偏差幅值大小随着方位角不同发生了变化，相位相对要超前些.

图7 所示为Octans罗经和磁补偿后的磁方位仪两者同步测量数据的变化曲线.通过磁补偿后磁方位仪的测量数据曲线几乎与Octans罗经的曲线重叠，偏差幅度的大小与方位角不同不相关，在±4°范围之内.其中，最大绝对误差为第10个测点-3.80°，最小绝对误差为第3个点0.15°.由于第10个测点的磁方位仪的测量值已经接近360°，自身测量误差较大.扣除该点之后，总罗差改正后的误差分布区间为±3°.

4 讨论和结果

4.1 讨论

在本项测试中，在磁补偿前的磁方位仪与Octans罗经的测量数据偏差在-30～50°之间；在磁补偿后的测量数值与Octans罗经的偏差在±3°范围之内.由此可见磁补偿前磁方位仪产出的定向数据是不能直接使用的.如图6，磁补偿前的磁方位仪产出测量值的偏差大小与测量方位密切相关，测量偏差曲线和磁方位仪和Octans罗经测量值的起伏形态相似，但相位有偏差，本文中的测量偏差曲线的相位是超前于磁方位仪和Octans罗经的；而在磁补偿之后，测量偏差曲线不但是幅值变小，而且形态没有规律，这说明罗差改正在定向数据的磁补偿中起了重要作用.

定向的系统精度与海底定向过程中背景磁测环境相关.在微弱磁场背景环境里，磁方位仪的艏向角误差可小于1°(邵婷婷等，2007；崔瑞芬和常佶，2010)；本次设备的系统定向精度为±3°.测量误差增大的部分原因可归咎于背景磁场复杂.由于海底地质取样器、探测和观测设备大多数由铁磁材质制作而成的，这些设备还存在形状不规则等问题，背景磁场特点是场强大、磁梯度大，分布复杂等，这是测量误差增大的诱因.若有内置的电子设备，本身会产生电磁噪声，使得背景磁场更为复杂.

图6 在磁补偿前磁方位仪和Octans罗经结果和偏差黑色折线(带圆点):Octans罗经测量结果，作为参考值，黑色虚线(带圆圈)：磁方位仪测量结果，红色折线(带圆圈)：磁方位仪测量结果与参考值的偏差.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.

图7 在磁补偿后磁方位仪和Octans罗经结果和偏差(图注同图6)Fig.7 Measurement results and deviations of the magnetic azimuth meter and Octans compass after magnetic compensation

海底设备内部部件的“位置调整”和“器件更换”都会影响到磁方位仪感测环境磁场，导致罗差变化；因此，在磁补偿后的海底设备内部部件的变换是不容许的.若要变换，必须重新对设备进行磁补偿；否则导致系统定向精度降低或受到严重影响.总之，在“磁方位仪定向”和“罗差参数测试”两种情形下，磁方位仪与海底设备的相互关系须是一致的.

海底设备的罗差校正参数测试需具备磁场梯度小、磁干扰小的环境，而在海洋调查的作业现场中不具备罗差改正的条件，需移到环境合适的陆地.这引出了测试点与施工点的环境磁场不一致的情形，必然带来另一个“异地改正”的测量误差因子.由于目前没有足够的数据积累，这类“异地改正”误差因子的影响程度有待今后工作的深入再确定.海底设备的定向技术方法在海洋调查中有潜在应用领域，又因海底设备质量重和尺寸大等因素制约，相应的磁补偿方法和方式还需做适应性研究.另外，针对体积大，形状特殊的设备磁补偿方法，有待于算法上挖潜创新.

4.2 结论

在海洋地质调查之中，与传统技术融合发展，深海海底定向技术为海洋地质调查技术方法研究带来了新的契机，可拓展海洋地学的研究领域.在深海海底定向作业过程中，磁方位仪定向技术结构简单、成本低、功耗低、测量快速和精准等特点，具有较强的推广性；可用于海洋地学调查中的“海底探测、观测或定向取样”等应用场景.深海海底定向的核心问题是要做好设备的“罗差”改正的磁补偿，这关系到海底设备的定向信息的真伪和精度.安装磁方位仪的海底设备定向精度取决于磁方位仪安装的工作环境，在无电磁噪声的设备中，定向精度在1°以内；若安装电器设备，背景磁场环境会更为复杂，定向精度要低一些，在3～5°范围之内.

致谢专项先导区建设与资源区块优选项目”项目和科技部重大南方科技大学刘青松讲席教授付出了时间慷慨相助，提供了建设性的意见；广州海洋地质调查局罗贤虎、刘碧荣、庞云天、邢琮琮、冯昭懿、张志刚工程师和朱荣伟博士等提供了技术支持；广东省地震局肇庆地磁台陆镜辉、杨向东两位工程师为设备校正实验提供了测试场地；匿名审稿人和编辑部老师对本文提出的意见和建议.谨此一并衷心致谢！