永磁體磁偏角亥姆霍茲線圈法測量方法起草單位

中國電子科技集團第九研究所、綿陽西磁磁業(yè)有限公司、綿陽市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗所、綿陽軍民融合磁性材料標準創(chuàng)新中心、綿陽西磁科技有限公司、綿陽市恒信磁材有限公司、綿陽德華磁材有限公司

張明、沈安國、應(yīng)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(yīng)原理的永磁體磁偏角線圈法測量方法2100433B

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(yīng)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(chǔ)信息。由于地磁導(dǎo)航具有簡便、廉價、可靠、最不易受干擾等特點，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)達的現(xiàn)代，世界各國航空航海領(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(lǐng)域一項技術(shù)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(shè)太多，所以少量地磁臺站和大量野外測點相結(jié)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(yù)報為主要服務(wù)對象的區(qū)域性地磁觀測臺站。由國際地磁學(xué)與高空物理學(xué)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(gòu)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(chǔ)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(shè)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(shè)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(gòu)成主要包括三部分：

(1)光學(xué)經(jīng)緯儀：采用無磁材料制造的光學(xué)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(xué)望遠鏡上，要求其軸向與光學(xué)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(shè)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(jié)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。總強度磁力儀比測時應(yīng)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(gòu)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(dǎo)致檢零器輸出的電壓發(fā)生相應(yīng)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(jié)論

國內(nèi)海島礁磁偏角測量原理、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(shè)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(fēng)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(yù)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(chǔ)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(shù)能力。 2100433B