永磁體磁偏角亥姆霍茲線圈法測量方法

張明、沈安國、應全紅、王霓、王毅、鄧國勇、鐘宣平、謝泓丘、李建超。

本標準規(guī)定了基于法拉第電磁感應原理的永磁體磁偏角線圈法測量方法2100433B

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海島礁磁偏角測量

磁偏角研究背景

磁偏角作為重要的海洋地理環(huán)境要素，已廣泛應用于船載磁羅經(jīng)、海流計、水下機器人(AUV)、自航式水雷等，是諸多海洋儀器正常發(fā)揮效能的基礎信息。由于地磁導航具有簡便、廉價、可靠、最不易受干擾等特點，是人類應用最早最普遍的定位定向系統(tǒng)，在早期航海史上發(fā)揮了極其重要的作用。即使在衛(wèi)星導航定位技術高度發(fā)達的現(xiàn)代，世界各國航空航海領域一直把地磁導航作為必備的導航方法。當前軍民航海圖上，磁偏角是不可或缺的基本要素，但是，磁偏角測量是我國海洋環(huán)境探測領域一項技術空白，軍民航海圖上標注的磁偏角均不是實地測量值，而是通過低分辨率的外版地磁圖轉(zhuǎn)繪生成的。

磁偏角測量主要采用兩種方式：一是固定地磁臺站的長期連續(xù)跟蹤觀測，二是野外流動測點的不定期測量。由于固定地磁臺站選址和基建標準很高，不適宜建設太多，所以少量地磁臺站和大量野外測點相結合，是地磁場測量的最佳模式。我國有100多個地磁臺，包括30多個儀器配置齊全、觀測條件和環(huán)境較好的基準地磁觀測臺站，具有測震、地磁、地電、GPS、重力、形變、井下觀測等多種地球物理觀測手段。其他臺站是以地震預報為主要服務對象的區(qū)域性地磁觀測臺站。由國際地磁學與高空物理學協(xié)會(IAGA)主持運行的國際地磁觀測臺網(wǎng)(INTERMAGNET)包括約133個地磁臺站，其中包括我國的北京站、長春站、肇慶站、蘭州站、烏魯木齊站共5個固定臺站。海島礁附近的地磁場由于受海底地形、海底巖石性質(zhì)、海底地質(zhì)構造和洋流等影響，往往與正常的地磁場存在較大差異，如何準確高效測定海島礁附近的磁偏角，是非常重要的基礎性海洋測繪工作。

磁偏角測量原理

地磁要素中，磁偏角的觀測歷史是最早的。磁偏角測量儀器不同，其測量原理也不同。最初的磁偏角測量儀器是指南針。通過指南針確定真北方向和磁北方向的位置，計算二者之間的夾角，就是磁偏角?，F(xiàn)代磁偏角測量一般采用地磁經(jīng)緯儀，其測量原理見圖1，首先需要在實地勘選兩個相互通視的點，組成觀測基線，其中一點用于架設觀測儀器，稱為觀測點，另外一點用于標定方向，稱為方位點。測點勘選和標石埋設完成后，首先采用GNSS或者天文觀測方法，測定觀測基線的真方位角α，然后采用專門的磁偏角測量儀器測定觀測基線的磁方位角，二者相減可得觀測基線的磁偏角，即：

作為專門的磁偏角測量儀器，地磁經(jīng)緯儀的構成主要包括三部分：

(1)光學經(jīng)緯儀：采用無磁材料制造的光學經(jīng)緯儀，用于基線方向瞄準和磁方位角的讀??；

(2)磁通門磁力儀探頭：加裝光學望遠鏡上，要求其軸向與光學望眼鏡軸向嚴格平行，用于確定磁子午面的位置；

(3)檢零器：與磁通門探頭連接，用于檢測磁通門探頭的輸出電壓，當檢零器上的輸出電壓值為零時，標志磁通門探頭軸線垂直于地磁場方向，據(jù)此確定地磁場方向的位置。

采用地磁經(jīng)緯儀進行磁偏角測量時，也能同時測定磁傾角。另外為完整了解測點附近的地磁場矢量，一般還需采用總強度磁力儀測定地磁場總強度的標量值。磁偏角D和磁傾角I的計量單位是(°、'、″)，總強度的計量單位為納特(nT)。海島礁磁偏角測量設備在國內(nèi)外均能生產(chǎn)，其中國產(chǎn)MDI型地磁經(jīng)緯儀的度盤最小刻劃為1'，工作溫度－10℃～40℃，G856型質(zhì)子旋進總強度磁力儀的測量范圍為20000～70000nT，分辨率優(yōu)于0.1nT，絕對精度優(yōu)于0.5nT，采樣周期6s，主機尺寸18cm×27cm×9cm，重量1.6kg，探頭尺寸9cm×13cm，探頭重量1.2kg。

不同磁力儀存在明顯的儀器誤差，為把不同磁力儀的測量結果歸算到某一共同基準，在每年出測之前和收測之后，需到國家基準地磁臺對DI儀和總強度磁力儀進行比測，計算絕對儀器誤差和相對儀器誤差。如遇儀器故障需及時更換，也需對新儀器進行比測，確定其儀器誤差?？倧姸却帕x比測時應獨立進行2次以上，兩次比測得到的儀器絕對誤差的互差不得大于0.5nT。地磁經(jīng)緯儀的構造特點是，在無磁經(jīng)緯儀的望遠鏡上固化一個磁通門傳感器。該磁通門探頭通過嚴格調(diào)校，其軸向與望遠鏡軸線保持一致。采用地磁經(jīng)緯儀進行磁方位角測量，實質(zhì)是通過地磁經(jīng)緯儀的無磁經(jīng)緯儀、磁通門磁力儀探頭和檢零器的相互配合，根據(jù)檢零器的輸出，確定磁子午面的位置。當經(jīng)緯儀照準部旋轉(zhuǎn)時，磁通門探頭與地磁場磁力線夾角隨之不斷變化，由此導致檢零器輸出的電壓發(fā)生相應變化，見圖2。顯然，當?shù)卮艌龇较蚺c無磁經(jīng)緯儀望遠鏡垂直時，檢零器輸出為零，據(jù)此確立地磁場的方向。

磁偏角測量時，在觀測點上安置地磁經(jīng)緯儀，對準整平以后，轉(zhuǎn)動望遠鏡精確瞄準方位點上的覘標，讀取此時的水平度盤讀數(shù)m₀；然后將地磁經(jīng)緯儀的望遠鏡置于水平狀態(tài)，順時針轉(zhuǎn)動照準部，同時注意觀測點附近檢零器；當照準部旋轉(zhuǎn)到某個位置時，檢零器上的讀數(shù)為零，鎖定照準部，讀取此時的水平度盤讀數(shù)m。這時表示磁通門傳感器的方向垂直于地磁子午面，水平度盤位置m±90°就是磁北方向所在的磁子午面，不難得出基線方向與磁子午面方向的夾角，即磁方位α_m為：

磁偏角研究結論

國內(nèi)海島礁磁偏角測量原理、方法和儀器等主要技術環(huán)節(jié)均初步引用陸上野外流動地磁測量模式。本文簡單介紹了國內(nèi)當前海島礁磁偏角測量的原理、作業(yè)方法、儀器設備、數(shù)據(jù)處理和精度要求等實際情況，由此可知，雖然磁偏角測量原理較為簡單，但工作過程較為繁瑣。特別是高溫、高濕、高鹽、多霧、多風等海島礁特殊作業(yè)環(huán)境，使剛剛起步的我國海島礁磁偏角測量工作面臨許多難以預測的新問題，當前主要是測點勘選比較困難，觀測基線距離一般難以滿足要求，為此需要在當前模式的基礎上，對作業(yè)儀器和方法進行大量適用性改進。只有通過不斷實踐積累，才能形成較完整的海島礁磁偏角測量技術能力。 2100433B