海洋工程磁场探测传感技术研究进展

2022-11-12胡光兰杨勇李晓东

电子技术与软件工程 2022年17期

胡光兰杨勇李晓东

（中国船舶重工集团有限公司第七一〇研究所湖北省宜昌市 443000）

1 概述

随着科技与经济的发展，人类大大加快了对海洋领域的开发速度，海洋工程快速发展。在海洋工程中，无论是海岸建筑物建设，还是海上平台建设，或者海底管线布设以及其它军事应用等，获取海洋区域磁场信息是非常必要与急需的，只有在海洋区域地磁场信息齐备后，才能确保海洋工程的可靠实施与维护。

海洋工程磁场探测传感技术是海洋区域磁场信息获取的主要手段，用于感知海洋磁场数据，分析海洋磁场特征，绘制海洋磁图，探测海洋中的磁性目标，应用海洋磁力信息数据，是认知海洋与经略海洋的重要环节[1]，同时，也是海洋地球物理学和海洋地质科学研究的主要内容之一。海洋工程磁场探测传感技术同时在军事与民用领域都有广泛且重要的应用，高质量的海洋工程磁场数据信息可为地震监测与研究、海洋矿产资源勘探、沉船打捞搜救、海洋油线管道调查、水下未爆目标探测、水下潜器自主导航等方面提供重要的基础资料，海洋工程磁场探测传感技术既在海底光缆/油气管线铺设维修、海底未爆目标探测、海上平台选址、海洋环境监测等民用方面具有重要意义，也在探潜、舰艇消磁、导航与制导等军用方面发挥着越来越重要的作用[2]。

本文研究海洋工程磁场探测传感技术的发展现状，从磁场探测方法与磁场传感技术两个方面入手进行研究，分析发展规律与现状，提出未来的发展趋势。

2 海洋工程磁场探测方法

海洋工程磁场探测有多种形式，其中，从探测方法角度来划分，海洋工程磁场探测分为单磁力仪探测与多磁力仪探测，其中单磁力仪探测包括磁场总场探测和磁场矢量场探测，多磁力仪探测包括纵向磁场梯度探测、横向磁场梯度探测、垂向磁场梯度探测、磁场传感阵列探测等。

2.1 磁场总场/矢量场探测

2.1.1 磁场总场探测

海洋工程磁场总场探测是利用标量磁力仪探测海洋磁场总场强度，受磁力仪姿态影响较小，常用的标量磁力仪有光泵磁力仪、质子磁力仪和OVERHAUSER磁力仪等[3]。

2.1.2 磁场矢量场探测

海洋工程磁场矢量场探测是利用矢量磁力仪探测海洋磁场矢量场强度，能够探测到磁场矢量场中的互相垂直的三个磁场分量，虽然受到姿态影响较大，但包含磁场信息更加丰富，具有较大的工程应用价值[4]。常用的磁场矢量场磁力仪有磁通门传感器、超导量子干涉仪（SQUID）等。

2.2 磁场梯度/阵列探测

海洋工程磁场梯度探测是利用两个磁力仪探测海洋磁场梯度场，根据工程应用形式不同，可以分为纵向磁场梯度探测、横向磁场梯度探测和垂向磁场梯度探测[5]。

2.2.1 纵向磁场梯度探测

纵向磁场梯度探测是通过一根拖缆将两个磁力仪按照一前一后的方式拖曳测量，两个磁力仪之间保持一定距离间隔。在海洋工程磁场测量中，根据实际应用场景选择并确定两个磁力仪之间的基线长度，纵向梯度磁力仪在工程应用中实施较为方便，因此得到较广泛的应用。典型的纵向磁场梯度探测有加拿大Marine Magnetics公司推出的SeaSPY型纵向梯度仪，如图1所示，美国Geometrics公司生产G-880G型纵向梯度仪。

图1：SeaSPY型纵向梯度仪

2.2.2 横向磁场梯度探测

横向磁场梯度探测是通过无磁刚性支架将两个磁力仪安装固定在其两侧，然后使用一根拖缆将横向磁场梯度探测系统拖曳进行探测。两个磁力仪之间保持一定基线长度，整体保持平行测线运动轨迹，可以同时测量两条磁场测线，较大提升了探测效率。典型的横向磁场梯度探测有美国Geometrics公司的G881型横向磁力梯度仪，如图2所示，加拿大Marine Magnetics公司推出的SeaSPY型横向梯度仪，如图3所示。

图2：G881型横向磁力梯度仪

图3：SeaSPY型横向梯度仪

2.2.3 垂向磁场梯度探测

垂向磁场梯度探测系统是通过竖直刚性无磁支架固定安装两个磁力仪，通过拖曳测量的方式测量某一坐标点的不同高度或者深度的磁场，垂向磁场梯度探测可以测定海洋中磁性目标的埋深。典型的垂向磁场梯度探测系统有Blackhawk Geometrics公司海洋垂直梯度仪。

2.2.4 磁场梯度阵列探测

磁场传感阵列探测是利用三个或者更多磁场传感器构建磁场传感阵列进行磁场探测。磁场探测阵列按照一定几何形状，将多个磁力仪组合形成阵列系统，实时探测磁场信息与位置信息，可以精确探测到海底磁性掩埋物[6]。典型的磁场探测阵列有加拿大Marine Magnetics公司推出的SeaQuest型磁场阵列探测系统，图4为SeaQuest型七元磁场阵列探测系统，图5为SeaQuest型四元磁场阵列探测系统。

图4：SeaQuest型七元磁场阵列探测系统

图5：SeaQuest型四元磁场阵列探测系统

3 海洋工程磁场传感技术

海洋工程磁场传感技术按照传感方式的不同，可以分为磁通门传感器、质子磁力仪、OVERHAUSER磁力仪和光泵磁力仪等。

3.1 磁通门传感器

磁通门传感器是基于软磁材料的非线性磁化特性，利用具有高磁导率的磁芯在外磁场作用下的电磁感应现象测定外界磁场的仪器，主要由磁通门探头、信号激励电路和信号提取电路构成。磁通门传感器最早研制于二战时期飞机反潜领域，战争结束之后被广泛应用于未爆弹探测、海洋磁测、矿产勘探等领域[7]。

磁通门传感器是利用高磁导率、低矫顽力软磁材料的磁饱和特性制造的磁强计。基于磁调制原理，在交变磁场激励下，磁芯处于周期性过饱和状态，可根据被测磁场中的磁芯的磁感应强度与被测磁场的磁场强度非线性对应关系测量磁场。该方法可测量恒定或缓慢变化磁场，适用于空间弱磁场的矢量检测[8]。

磁通门传感器原理是利用磁通门探头，基于聚磁效应将外界磁场信号转换为电信号，再经过LC谐振、前置放大、选频放大、相敏整流和积分环节输出稳定的磁电信号，并通过反馈环节形成闭环，构成稳定磁通门传感器系统[9]。

磁通门探头有单磁芯探头、双磁芯探头和环形磁芯探头等形式，为了输出高灵敏度的磁场信号，并使得传感器体积足够小，本项目采用双磁性探头的结构，双磁芯探头由激励线圈、感应线圈和磁芯构成。

磁通门探头的输出信号十分微弱，而且含有很大的噪声信号。所以要通过前置放大电路和滤波电路来增强电路的信噪比。磁通门电路必须具备相敏特性，使输出信号表征被测磁场的极性。相敏检波的输出信号经过滤波电路后得到平滑的脉动信号，在闭环控制系统中为了提高前向通道的增益还必须设置积分器。这样经过积分器后的信号通过反馈电路接到磁通门传感器探头的输出端。最终，积分器的输出端得到正比于外界磁场的直流信号。

如表1所示，国外典型的磁通门传感器还有英国巴廷顿公司的MAG系列、德国FGM3D型磁通门传感器，美国TFM65型磁通门传感器，美国Bell-3030型磁通门传感器等。国内较先进的磁通门传感器有中国船舶集团第七一〇研究所研制的MS3A型磁通门传感器、中国科学院地球物理研究所研制的CTM-302型三分量磁通门传感器等。

表1：典型磁通门传感器技术参数表

3.2 质子磁力仪

质子磁力仪利用外加电磁场将富含氢质子的探头进行极化，从而使外加磁场作用下的自由旋进状态的氢质子产生合磁矩，利用突然去除极化磁场作用只剩下地磁场作用的时候，氢质子形成的合磁矩在地磁场作用下做旋进运动，合磁矩的旋进运动与地磁场强度成正比，进而求解得到地磁场强度[10][11]。

加拿大GEM公司研制的GSM-19T质子磁力仪分辨率达到0.01nT，灵敏度达到0.15nT，如图6所示。美国GeMercotis公司研制的G-856型质子磁力仪，分辨率0.1nT，测量精度达到0.5nT。北京地质仪器厂研制的CZM-2B型质子磁力仪和CZCS-90型分量质子磁力仪的灵敏度为0.1nT。

图6：GSM-19T质子磁力仪

3.3 OVERHAUSER磁力仪

二十世纪五十年代，美国物理学家OVERHAUSER首先在金属中发现了当电子发生顺磁共振时会导致核子强烈共振的现象，OVERHAUSER效应，后来法国科学家又对非金属中的OVERHAUSER效应进行了研究，许多科学家也相继积极投入到相关理论的研究和解释中[12]。

1983年，加拿大GEM公司研制第一代版本的OVERHAUSER磁力仪。量子测磁实验室（Quantum Magnetometry Laboratory）研制了POS-1型OVERHAUSR磁力仪，具有长寿命工作物质（5-10年），高精度，测量灵敏度0.01nT，测量地磁场绝对值得传感器，成为弱磁场感应的第一个参考标准。加拿大Marine Magnetics公司研制出SeaSPY型和EXPLORER型OVERHAUSER磁力仪，应用较为广泛，如图7和图8所示。

图7：SeaSPY型OVERHAUSER磁力仪

图8：EXPLORER型OVERHAUSER磁力仪

3.4 光泵磁力仪

自20世纪50年代中期以来，光泵技术应用于磁力仪研制，它具有灵敏度高、相应频率高、可在快速变化中进行测量的特点，其灵敏度达到pT级。光泵磁力仪体积小、重量轻、灵敏度高的特点，目前已经成为航空、海洋和地面磁测的主要手段[13]。

光泵由激光光源、激光光泵探头和光泵信号检测组成。激光光源部分包括半导体激光源、频率锁定模块和光学模块，半导体激光源通过温度和电流稳定装置维持输出频率的稳定性，频率锁定模块使半导体激光源输出光束精确锁定在Cs原子的D1跃迁能级上，并维持输出光束频率稳定性，光学模块用以产生能使气态原子极化的左旋圆偏振光；探头部分包括恒温加热装置、吸收室和射频线圈，恒温加热装置用以给吸收室原子气体加热并维持温度稳定性，吸收室工作原子在左旋圆偏振光作用下产生沿光束方向上的极化，射频线圈用以产生引起塞曼子能级间跃迁的射频信号；检测电路部分包括光电探测器、锁相放大器、PID反馈控制器和信号发生器，光电探测器接受透过吸收室的左旋圆偏振光，锁相放大器用以对光电探测器的信号调制解调，得到各倍频信号，PID反馈控制器接受锁相放大器输出信号并产生误差信号，通过误差信号反馈控制信号发生器的输出，信号发生器给射频线圈提供射频信号。

国外代表性的光泵磁力仪有美国Polatomic公司研制的P-2000型光泵磁力仪，加拿大GEMsystem公司的GSM系列钾光泵磁力仪。美国Geometrics公司生产的G-882型铯光泵磁力仪，如图9所示。加拿大Scintrex公司研制的CS-VL型光泵磁力仪。

图9：G-882型铯光泵磁力仪

国内光泵磁力仪主要有中国科学院电子所研制的CVS-18型光泵磁力仪、上海卫导公司研制的GSN-830Cs型光泵磁力仪、中船重工715所研制的RS-YGB6A型光泵磁力仪等。

4 磁场探测传感技术展望

随着科学技术的飞速发展，海洋工程磁场探测传感技术将进一步发展，一方面，磁场传感技术趋向于更高灵敏度，另一方面，磁场探测技术趋向于多元多样化。

4.1 磁场传感技术趋于更高灵敏度

随着磁场探测距离的增加和磁性目标经过消磁处理之后磁场变得更加微弱，现在磁场传感技术的灵敏度逐渐难以适应新形势的需要，为了提升磁场探测距离，并探测到更加微弱的磁性目标，需要提升磁场传感技术的灵敏度，发展SQUID 磁梯度仪[14]、高灵敏度微型光学原子磁力仪[15]、石墨烯磁传感器[16]等前沿高端磁传感器，使磁场传感技术更加敏感，进而探测fT级甚至更高级别的磁场信息，提升磁场探测距离。