永磁體磁偏角亥姆霍茲線圈法測(cè)量方法起草單位

中國(guó)電子科技集團(tuán)第九研究所、綿陽(yáng)西磁磁業(yè)有限公司、綿陽(yáng)市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所、綿陽(yáng)軍民融合磁性材料標(biāo)準(zhǔn)創(chuàng)新中心、綿陽(yáng)西磁科技有限公司、綿陽(yáng)市恒信磁材有限公司、綿陽(yáng)德華磁材有限公司

張明、沈安國(guó)、應(yīng)全紅、王霓、王毅、鄧國(guó)勇、鐘宣平、謝泓丘、李建超。

本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于法拉第電磁感應(yīng)原理的永磁體磁偏角線圈法測(cè)量方法2100433B

海島礁磁偏角測(cè)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(yīng)用于船載磁羅經(jīng)、海流計(jì)、水下機(jī)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(chǔ)信息。由于地磁導(dǎo)航具有簡(jiǎn)便、廉價(jià)、可靠、最不易受干擾等特點(diǎn)，是人類應(yīng)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(dǎo)航定位技術(shù)高度發(fā)達(dá)的現(xiàn)代，世界各國(guó)航空航海領(lǐng)域一直把地磁導(dǎo)航作為必備的導(dǎo)航方法。當(dāng)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(cè)量是我國(guó)海洋環(huán)境探測(cè)領(lǐng)域一項(xiàng)技術(shù)空白，軍民航海圖上標(biāo)注的磁偏角均不是實(shí)地測(cè)量值，而是通過(guò)低分辨率的外版地磁圖轉(zhuǎn)繪生成的。

磁偏角測(cè)量主要采用兩種方式：一是固定地磁臺(tái)站的長(zhǎng)期連續(xù)跟蹤觀測(cè)，二是野外流動(dòng)測(cè)點(diǎn)的不定期測(cè)量。由于固定地磁臺(tái)站選址和基建標(biāo)準(zhǔn)很高，不適宜建設(shè)太多，所以少量地磁臺(tái)站和大量野外測(cè)點(diǎn)相結(jié)合，是地磁場(chǎng)測(cè)量的最佳模式。我國(guó)有100多個(gè)地磁臺(tái)，包括30多個(gè)儀器配置齊全、觀測(cè)條件和環(huán)境較好的基準(zhǔn)地磁觀測(cè)臺(tái)站，具有測(cè)震、地磁、地電、GPS、重力、形變、井下觀測(cè)等多種地球物理觀測(cè)手段。其他臺(tái)站是以地震預(yù)報(bào)為主要服務(wù)對(duì)象的區(qū)域性地磁觀測(cè)臺(tái)站。由國(guó)際地磁學(xué)與高空物理學(xué)協(xié)會(huì)(IAGA)主持運(yùn)行的國(guó)際地磁觀測(cè)臺(tái)網(wǎng)(INTERMAGNET)包括約133個(gè)地磁臺(tái)站，其中包括我國(guó)的北京站、長(zhǎng)春站、肇慶站、蘭州站、烏魯木齊站共5個(gè)固定臺(tái)站。海島礁附近的地磁場(chǎng)由于受海底地形、海底巖石性質(zhì)、海底地質(zhì)構(gòu)造和洋流等影響，往往與正常的地磁場(chǎng)存在較大差異，如何準(zhǔn)確高效測(cè)定海島礁附近的磁偏角，是非常重要的基礎(chǔ)性海洋測(cè)繪工作。

磁偏角測(cè)量原理

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

作為專門的磁偏角測(cè)量?jī)x器，地磁經(jīng)緯儀的構(gòu)成主要包括三部分：

(1)光學(xué)經(jīng)緯儀：采用無(wú)磁材料制造的光學(xué)經(jīng)緯儀，用于基線方向瞄準(zhǔn)和磁方位角的讀取；

(2)磁通門磁力儀探頭：加裝光學(xué)望遠(yuǎn)鏡上，要求其軸向與光學(xué)望眼鏡軸向嚴(yán)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(cè)磁通門探頭的輸出電壓，當(dāng)檢零器上的輸出電壓值為零時(shí)，標(biāo)志磁通門探頭軸線垂直于地磁場(chǎng)方向，據(jù)此確定地磁場(chǎng)方向的位置。

采用地磁經(jīng)緯儀進(jìn)行磁偏角測(cè)量時(shí)，也能同時(shí)測(cè)定磁傾角。另外為完整了解測(cè)點(diǎn)附近的地磁場(chǎng)矢量，一般還需采用總強(qiáng)度磁力儀測(cè)定地磁場(chǎng)總強(qiáng)度的標(biāo)量值。磁偏角D和磁傾角I的計(jì)量單位是(°、'、″)，總強(qiáng)度的計(jì)量單位為納特(nT)。海島礁磁偏角測(cè)量設(shè)備在國(guó)內(nèi)外均能生產(chǎn)，其中國(guó)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(jìn)總強(qiáng)度磁力儀的測(cè)量范圍為20000～70000nT，分辨率優(yōu)于0.1nT，絕對(duì)精度優(yōu)于0.5nT，采樣周期6s，主機(jī)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(cè)量結(jié)果歸算到某一共同基準(zhǔn)，在每年出測(cè)之前和收測(cè)之后，需到國(guó)家基準(zhǔn)地磁臺(tái)對(duì)DI儀和總強(qiáng)度磁力儀進(jìn)行比測(cè)，計(jì)算絕對(duì)儀器誤差和相對(duì)儀器誤差。如遇儀器故障需及時(shí)更換，也需對(duì)新儀器進(jìn)行比測(cè)，確定其儀器誤差。總強(qiáng)度磁力儀比測(cè)時(shí)應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行2次以上，兩次比測(cè)得到的儀器絕對(duì)誤差的互差不得大于0.5nT。地磁經(jīng)緯儀的構(gòu)造特點(diǎn)是，在無(wú)磁經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡上固化一個(gè)磁通門傳感器。該磁通門探頭通過(guò)嚴(yán)格調(diào)校，其軸向與望遠(yuǎn)鏡軸線保持一致。采用地磁經(jīng)緯儀進(jìn)行磁方位角測(cè)量，實(shí)質(zhì)是通過(guò)地磁經(jīng)緯儀的無(wú)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(dāng)經(jīng)緯儀照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)時(shí)，磁通門探頭與地磁場(chǎng)磁力線夾角隨之不斷變化，由此導(dǎo)致檢零器輸出的電壓發(fā)生相應(yīng)變化，見圖2。顯然，當(dāng)?shù)卮艌?chǎng)方向與無(wú)磁經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡垂直時(shí)，檢零器輸出為零，據(jù)此確立地磁場(chǎng)的方向。

磁偏角測(cè)量時(shí)，在觀測(cè)點(diǎn)上安置地磁經(jīng)緯儀，對(duì)準(zhǔn)整平以后，轉(zhuǎn)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡精確瞄準(zhǔn)方位點(diǎn)上的覘標(biāo)，讀取此時(shí)的水平度盤讀數(shù)m₀；然后將地磁經(jīng)緯儀的望遠(yuǎn)鏡置于水平狀態(tài)，順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)照準(zhǔn)部，同時(shí)注意觀測(cè)點(diǎn)附近檢零器；當(dāng)照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)到某個(gè)位置時(shí)，檢零器上的讀數(shù)為零，鎖定照準(zhǔn)部，讀取此時(shí)的水平度盤讀數(shù)m。這時(shí)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(jié)論

國(guó)內(nèi)海島礁磁偏角測(cè)量原理、方法和儀器等主要技術(shù)環(huán)節(jié)均初步引用陸上野外流動(dòng)地磁測(cè)量模式。本文簡(jiǎn)單介紹了國(guó)內(nèi)當(dāng)前海島礁磁偏角測(cè)量的原理、作業(yè)方法、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)處理和精度要求等實(shí)際情況，由此可知，雖然磁偏角測(cè)量原理較為簡(jiǎn)單，但工作過(guò)程較為繁瑣。特別是高溫、高濕、高鹽、多霧、多風(fēng)等海島礁特殊作業(yè)環(huán)境，使剛剛起步的我國(guó)海島礁磁偏角測(cè)量工作面臨許多難以預(yù)測(cè)的新問(wèn)題，當(dāng)前主要是測(cè)點(diǎn)勘選比較困難，觀測(cè)基線距離一般難以滿足要求，為此需要在當(dāng)前模式的基礎(chǔ)上，對(duì)作業(yè)儀器和方法進(jìn)行大量適用性改進(jìn)。只有通過(guò)不斷實(shí)踐積累，才能形成較完整的海島礁磁偏角測(cè)量技術(shù)能力。 2100433B