吳文福袁皓

（1.第七一五研究所，杭州，310023）

（2.中國船舶重工集團公司規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，北京，100861）

氦光泵磁力儀的應(yīng)用與發(fā)展研究綜述

吳文福1袁皓2

（1.第七一五研究所，杭州，310023）

（2.中國船舶重工集團公司規(guī)劃發(fā)展戰(zhàn)略研究中心，北京，100861）

闡述氦光泵磁力儀的工作原理，并對其在國內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀進行了比較，簡單概括我國發(fā)展磁力儀的研究方向和技術(shù)難點。

氦光泵磁力儀；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢；綜述

磁力儀是一種可測量其所處位置磁場值、磁場梯度、磁傾角、磁偏角的儀器，常用于地質(zhì)、礦產(chǎn)、石油、古遺址的勘探和金屬產(chǎn)品內(nèi)部缺陷檢測。俄羅斯曾用磁力儀成功預(yù)報了地震，高靈敏度的磁力儀還可用于腦部和心臟的疾病診斷。磁力儀的種類包括磁通門磁力儀、質(zhì)子旋進磁力儀、超導(dǎo)磁力儀、原子磁力儀，它們的靜態(tài)靈敏度分別為100 pT/√Hz、50 pT/√Hz、1 fT/√Hz、10 fT/√Hz級別。其中，原子磁力儀中的光泵磁力儀具有體積小、靈敏度高、可工作于常溫等優(yōu)勢。

原子磁力儀是利用原子能級在外磁場作用下所產(chǎn)生的賽曼效應(yīng)，進而實現(xiàn)對外磁場進行高靈敏度測量的儀器統(tǒng)稱。基于氦原子的磁力儀技術(shù)發(fā)展歷時已久，第一套商用的氦原子磁力儀出現(xiàn)于20世紀60年代，由美國德州儀器公司研發(fā)。早期的氦原子磁力儀采用氣體放電燈作為光源，隨著20世紀80年代以來不斷發(fā)展成熟的固體激光器技術(shù)、半導(dǎo)體激光器技術(shù)以及光纖激光器技術(shù)，使得利用激光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)氣體放電燈作為氦原子磁力儀的光源成為可能[1-5]。相較于氣體放電燈，激光具有強度高、波長可調(diào)諧、單色性好等優(yōu)勢。理論及實驗研究均表明，利用激光作為光源，會使得磁力儀的探測靈敏度提高兩個量級。發(fā)展至今，激光光泵氦原子磁力儀已得到廣泛應(yīng)用，尤其是在軍事以及空間探測領(lǐng)域，氦原子光泵磁力儀都占據(jù)著不可替代的地位[6]。

1 基本原理概述

原子磁力儀是通過測量He4、He3和堿金屬的Cs133、Rb85、K39等原子的磁距在磁場中的進動頻率從而計算出磁場值的儀器。如圖1所示，對一個原子系統(tǒng)，當在z方向存在靜磁場B時，原子磁距繞磁場進行進動，角動量為M，但是每個原子的進動相位并不一致，進動頻率為：WL=rB，其中r為旋磁比。此時原子能級發(fā)生分裂，圖2為氦原子的塞曼效應(yīng)能級圖。只要測出進動頻率WL，就可依此計算出磁場值B。為了測出磁距進動頻率WL，可采取的方法有射頻驅(qū)動和光驅(qū)動。本文以射頻驅(qū)動為例說明磁力儀工作的原理。

圖1 原子在磁距中的進動示意圖

圖2 氦原子在磁場中的能級圖

射頻驅(qū)動Mz磁力儀如圖3所示，以氦光泵（r=28.023 5 Hz /nT）為例，假設(shè)磁場方向為z，在z方向加上波長為D1躍遷線的左旋圓偏振泵浦光（同時作為探測光）。根據(jù)躍遷定則，亞穩(wěn)態(tài)23S1上塞曼能級MF=0、MF=?1上的原子躍遷到激發(fā)態(tài)23P1上，然后又回落到亞穩(wěn)態(tài)23S1上。因為亞穩(wěn)態(tài)23S1上MF=1的原子不發(fā)生躍遷，最后大多數(shù)原子處于亞穩(wěn)態(tài)23S1上MF=1的磁能級上，達到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的動態(tài)平衡狀態(tài)。此時原子系統(tǒng)不再吸收光能，透射光強達到最大。在x方向加上射頻掃頻信號，當射頻信號的能量與磁能級能量相等（hf=gμB，其中h為普朗克常數(shù)，f為射頻頻率，g為朗德因子，μ為波爾磁子，B為磁場值）時原子發(fā)生受激輻射，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)被破壞導(dǎo)致系統(tǒng)又重新吸收光能以實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時透射光強減小，圖4所示為磁共振信號。通過在信號上加上一定頻率的調(diào)制，可實現(xiàn)對最大信號的跟蹤，從而跟蹤磁場值。

圖3 氦光泵Mz磁力儀結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 氦光泵磁力儀信號

2 國外研究應(yīng)用概況

2.1 各國磁力儀研究應(yīng)用現(xiàn)狀

當前，美國的Geometrics、加拿大的Scintrex、英國的Bartington等幾家國外公司幾乎壟斷了全球商品磁探儀的市場。這些公司的磁探儀產(chǎn)品發(fā)展起步早、種類多、可靠性好，且已經(jīng)占據(jù)了全球絕大部分市場。

美國的Geometrics公司已從事電法、磁法工程研究超過40年，其磁探儀產(chǎn)品涵蓋地面、航空、海洋應(yīng)用。地面磁探儀主要有G-858、G-859、G-856和G-857等型號；航空磁探儀主要有G-822A、G-823A、G-824C和G-862等型號；海洋磁探儀主要有G-882、G-882TVG和G-880等型號。另外，Geometrics公司宣稱，已采用先進的半導(dǎo)體激光技術(shù)和MEMS技術(shù)，研制成功了微制造磁傳感器AFAM，將銫光泵探頭長度由279 mm減小至3.9 mm。這項研究得到美國國防部先進研究項目局DARPA和戰(zhàn)略環(huán)境研究發(fā)展計劃SERDP支持，目前已取得關(guān)鍵突破，相關(guān)產(chǎn)品將陸續(xù)上市。

加拿大Scintrex公司在重力、磁探、電法勘探方面的研究超過70年。磁探儀產(chǎn)品主要包括CS-L、CS-VL和CS-3等銫光泵磁力儀。其中，CS-3銫光泵磁力儀在中國銷售了百余臺，其pT級的噪聲和簡便操作贏得了用戶的好評。

英國Bartington公司主要從事磁通門磁探儀的研究，80%的產(chǎn)品均用于出口。單分量磁通門磁探儀的型號有MAG-01、MAG670、MAG678和MAG679；三分量磁通門磁探儀有通用型MAG-03、MAG612等。低功耗型MAG648、MAG650等；航空型MAG628；惡劣環(huán)境型MAG610、MAG613等；數(shù)字型MAG657、MAG658；三分量梯度儀GRAD-01、GRAD-13、GRAD-03ACU等。這些磁通門磁探儀被廣泛銷往全球各地。

2.2 美國氦光泵磁力儀的發(fā)展

美國的氦光泵磁力儀廣泛應(yīng)用于航空磁場探測中，因其探頭不需要維持恒溫而具有較好的環(huán)境適應(yīng)性。由于氦的旋磁比較高，通常氦光泵磁力儀采用跟蹤式方案。當?shù)卮艌龇较蚺c光軸平行時磁信號最大，垂直時磁信號消失，氦光泵通常采用多光系消除探測死角。到目前為止，氦光泵磁力儀的發(fā)展經(jīng)歷了模擬式、數(shù)字式和激光磁力儀幾個階段。

2.2.1 AN/ASQ-81(V)氦光泵(He4)磁探儀

1972年開發(fā)的AN/ASQ-81 (V) 拖曳式氦光泵磁力儀（圖5），是一種生產(chǎn)批量最大的航空探潛用磁異常探測器，主要包括磁力儀探頭、拖魚、探測控制器、放大器和電源、探頭發(fā)射/回收裝置等部分，不包括磁補償器和磁異常信號處理機。固定翼飛機上安裝的固定式AN/ASQ-81(V)-1，直升機安裝的拖曳式AN/ASQ-81(V)-2。兩者都是模擬式磁探儀，探頭采用多光系方案，靜態(tài)噪聲為9 pT（0～216 Hz）。進行磁場探測時，探頭發(fā)射裝置釋放探頭，將探頭拖曳在遠離機體處以減少飛機的磁噪聲，適用于飛行速度和高度較低的航空磁探場合。

圖5 AN/ASQ-81氦光泵磁探儀外形圖

2.2.2 AN/ASQ-208(V)MAD系統(tǒng)

AN/ASQ-208(V)是由AN/ASQ-81(V)派生出來的一種新型數(shù)字式磁探儀，其工作原理仍然是氦光泵式磁異常檢測器。它綜合了微處理器技術(shù)，用以解決飛機磁干擾補償、多通道數(shù)字濾波、顯示及閾值處理等。該系統(tǒng)可以在線通過1553B數(shù)字接口控制或不在線通過控制顯示單元控制。為了實現(xiàn)整體化，儀器自身具備一個RS-232接口，可以直接同標準PC機連接，以便于顯示和存儲數(shù)據(jù)。與AN/ASQ-81(V)相同，有固定和拖曳兩種安裝方式，可很方便地安裝在新機型或替換以前AN/ASQ-81(V)安裝的機型。由于采用數(shù)字信號處理技術(shù)，作用距離比AN/ASQ-81(V)有較大幅度提高，在深海區(qū)提高25%，在淺海區(qū)提高50%。

圖6 AN/ASQ-208氦光泵磁探儀探頭外形圖

2.2.3 AN/ASQ-233激光雙室氦光泵磁力儀

在美海軍支持下，Polatomic公司又開發(fā)出激光氦光泵磁力儀（如圖7）。其靈敏度是AN/ASQ-208(V)靈敏度的10倍，達0.3 pT/√Hz。已經(jīng)完成了在P-3C反潛機上的試驗。

圖7 激光氦光泵磁力儀

3 國內(nèi)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

國內(nèi)上世紀六十年代末開始氦光泵磁力儀研究，產(chǎn)品主要裝備反潛巡邏機用于航空探潛。九十代開始軍轉(zhuǎn)民產(chǎn)品開發(fā)，主要用于航空地球物理勘探，包括地面磁力儀、航空磁力儀、海洋磁力儀。目前，開發(fā)的GB-5A型、GB-6型和GB-6A型三種型號的數(shù)字式氦光泵海洋磁力儀已投入使用，初步具備與國外同類儀器展開競爭的能力。

3.1 航空探潛

航空磁異常探潛技術(shù)是反潛巡邏機的主要裝備之一。由于潛艇磁異常信號不受空氣、水文變化、泥沙等影響，在對潛艇定位和攻擊時，使用磁探儀進行最終確定，是國外航空探潛的通用戰(zhàn)術(shù)。反潛巡邏機有固定翼和旋翼兩種。對于固定翼飛機，一般采用磁傳感器的固定安裝方式，旋翼飛機大多采用拖曳式，以回避飛機磁干擾的影響。經(jīng)過數(shù)十年的不懈努力，以光泵磁探儀為代表的各型高靈敏度磁探儀開發(fā)成功，儀器噪聲水平已經(jīng)可以和超導(dǎo)磁探儀媲美，接近環(huán)境磁噪聲。由于超導(dǎo)磁探儀需配置低溫裝置，現(xiàn)役的探潛磁探儀幾乎均采用光泵磁探儀。

國內(nèi)自行研制的航空探潛用磁異常探測器采用氦光泵磁探儀方案，第一代產(chǎn)品GTC-II型于1985年提供Be-6和SH-5水上飛機試用。第二代產(chǎn)品H/SKC-1型于1998年通過原理樣機鑒定。新研制的數(shù)字式氦光泵磁力儀已裝備在某型反潛巡邏機上，其綜合性能較前兩代產(chǎn)品有大幅提升。

3.2 地球物理勘探

1986年開始的軍轉(zhuǎn)民產(chǎn)品GB-4A加裝在運-12、運-11B、運-5等航空物探用飛機上，從事航空地球物理調(diào)查。近年來，針對無人機任務(wù)系統(tǒng)，在小型化、數(shù)字化基礎(chǔ)上開發(fā)了GB-10系列[7]（見圖8），成功用于低空小面積航磁測量，在非洲及國內(nèi)承接航空物探任務(wù)，直升機、三角翼、飛艇、無人機等各種飛行器都能適裝。圖9為三角翼動力滑翔機低空磁測熱帶森林，該地區(qū)有北東向的侵入巖株，磁異常分布在巖株周圍。上圖為低空磁測平剖圖，下圖為遙感圖。

圖8 GB-10航磁測量系統(tǒng)

圖9 三角翼動力滑翔機低空磁測方法適用性和應(yīng)用效果

GB-10型航空磁力儀將氦光泵磁力儀、自動磁補償器、高精度GPS集成在一個主機里，可接收機上飛控系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入、激光高度計或雷達高度計數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)置操作系統(tǒng)，可在各種對載荷要求苛刻的小型飛行器上無人值守工作。自動磁補償器對飛機機動引起的磁干擾進行自動補償，使最終的采集數(shù)據(jù)符合航磁測量要求。圖10中藍線為未補償?shù)拇帕x數(shù)據(jù)（A），紅線為加拿大航空自動數(shù)字式磁補償器AADC的補償輸出數(shù)據(jù)(B)，綠線為中船重工第七一五研究所的磁補償器補償?shù)臄?shù)據(jù)輸出(C)，B、C幾乎重合。

圖10 自動磁補償器補償前后對比

安裝在遠離飛機的無磁性磁探桿內(nèi)的磁探儀受到飛機各種磁干擾的影響，如起落架等引起的永久磁場、操縱鋼索等引起的感應(yīng)磁場、機身鋁蒙皮等引起的渦流磁場，這些磁干擾比探測的磁異常要大數(shù)十倍，需要采用磁補償技術(shù)降低磁干擾。飛機磁干擾補償方案有兩種：測干擾補干擾和測地磁補干擾。前者國外專利介紹中有利用三分量磁力儀測量磁場梯度而得到磁干擾值[8]，也有用兩套總場磁力儀形成梯度測量測得磁干擾值[9]。后者則是基于Tolles-Lauson方程對飛機磁干擾進行描述而建立起飛機磁場方程。磁補償分為硬補償和軟補償。硬補償是在傳感器上產(chǎn)生大小與磁干擾相等、方向相反、變化規(guī)律相同的補償場。典型的硬補償器是AN/ASQ-65，補償后的品質(zhì)因素為1 nT左右，補償時間約30 min。軟補償是由計算機處理磁干擾的各項系數(shù)，最后用軟件組合成補償場。磁探儀輸出已補償?shù)男盘?，補償后品質(zhì)因素可達0.45 nT，補償時間只需6～8 min。

3.3 海洋磁力儀

海洋磁力儀可用于以下目的：探測與定位未爆軍火，航道、錨地、港口等泥下障礙物；海底管道、海纜路由調(diào)查及障礙物探查；考古及船骸和其他各種鐵磁體的探測與定位；探測水雷，尤其是沉底雷探測與定位；海洋地磁背景場調(diào)查和數(shù)據(jù)庫的建立，利用這一數(shù)據(jù)庫，將有助于提高對重要海域和復(fù)雜背景場海域的航空磁探潛能力。

3.3.1 GB-5A型

GB-5A型海洋磁力儀如圖11所示，其功能定位和配置相當于G881。GB-5A型海洋磁力儀按綜合探測系統(tǒng)設(shè)計，可集成GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、測深儀和拖體入水深度計等其它傳感器的信息。GB-5A標準配置的拖纜長度為60 m，適合于小漁船作業(yè)平臺，在近海錨地、航道及碼頭等海域的水下小目標勘查作業(yè)，靈活方便。

圖11 GB-5A海洋磁力儀

3.3.2 GB-6型

GB-6型海洋磁力儀如圖12所示，其功能定位和配置相當于G880，適宜深水環(huán)境和大船作業(yè)。標準配置的拖纜長度達到500 m以上，重點應(yīng)用于深海地磁調(diào)查，通過加裝迫降翼來控制拖體的入水深度，也可用于泥下障礙物探測與定位。

圖12 GB-6型海洋磁力儀

3.3.3 GB-6A型

GB-6A型海洋磁力儀如圖13所示，其功能定位和配置相當于G882，屬于便攜式的小型儀器。其技術(shù)性能與GB-6型數(shù)字式氦光泵海洋磁力儀相當，但在拖體小型化和定深技術(shù)上有重大改進。GB-6A采用數(shù)字一體化設(shè)計技術(shù)，將數(shù)字式小型化高精度氦光泵磁力儀全部安裝在水下拖體內(nèi)，其控制顯示和數(shù)據(jù)處理由測量船上的綜合處理機實現(xiàn)。2009年，在某重要海域探雷工程中，使用GB-6A進行大面積掃測，并對水雷實體的磁場特性進行了建模分析和數(shù)據(jù)處理，從3 000多個磁異常點中篩選出30多個可疑目標，經(jīng)下水探摸確認其中兩個目標為二戰(zhàn)時期的遺存水雷（其中一顆已引爆，2009年4月14日CCTV對此作了新聞報道）。

圖13 GB-6A型海洋磁力儀

GB-5A、GB-6、GB-6A型海洋磁力儀性能見表1，從表中可知，它們與國外海洋磁力儀的標稱精度基本相當。

表1 國內(nèi)外最新海洋磁力儀主要性能對比表

4 存在問題及技術(shù)發(fā)展趨勢

4.1 提高儀器穩(wěn)定性和可靠性

重點是改進氦光泵燈、室制作工藝。在氦氣提純、超高真空系統(tǒng)充氣和充氣壓力控制、制作過程中采用機械化操作，對各工序進行過程控制，以及研制專用測試儀表定量檢測性能等，都能有效提高氦光泵燈、室磁-光-電轉(zhuǎn)換靈敏度、以及穩(wěn)定性和可靠性。

4.2 降低儀器噪聲

總體設(shè)計中，充分考慮一體化設(shè)計。從抗EMI技術(shù)三要素著手（干擾源、傳輸通道、接收通道），有針對性地加以解決。

4.3 小目標磁異常定位與識別

對于小目標探測，基本上可以將目標看成為磁偶極子，利用數(shù)字濾波技術(shù)和埋深估計技術(shù)實現(xiàn)小目標探測。另外通過收集整理常見水下目標的磁場測量數(shù)據(jù)，形成目標磁異常數(shù)據(jù)庫，總結(jié)其磁性特征規(guī)律，為水下目標的識別提供依據(jù)。

4.4 開展全光光泵磁力儀技術(shù)研究

與光磁雙共振效應(yīng)的光泵磁力儀相比，基于激光調(diào)制技術(shù)的全光光泵磁力儀[10]在消除磁力儀探測盲區(qū)以及方向誤差方面，具有顯著的優(yōu)勢。

首先，在外磁場方向發(fā)生變化時，磁共振信號的幅值單一地決定于激光光場的偏振方向與外磁場方向之間的夾角；其次，全光光泵磁力儀在集成多探頭時，各探頭之間不存在相互串擾，因此可以實現(xiàn)光泵磁力儀的陣列，增強對磁異常信號的檢測能力。

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