氦光泵磁力儀的應(yīng)用與發(fā)展研究綜述

吳文福袁皓

（1.第七一五研究所，杭州，310023）

（2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)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(guó)船舶重工集團(tuán)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(duì)其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了比較，簡(jiǎn)單概括我國(guó)發(fā)展磁力儀的研究方向和技術(shù)難點(diǎn)。

氦光泵磁力儀；應(yīng)用現(xiàn)狀；發(fā)展趨勢(shì)；綜述

磁力儀是一種可測(cè)量其所處位置磁場(chǎng)值、磁場(chǎng)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(cè)。俄羅斯曾用磁力儀成功預(yù)報(bào)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(jìn)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(jí)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(shì)。

原子磁力儀是利用原子能級(jí)在外磁場(chǎng)作用下所產(chǎn)生的賽曼效應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)外磁場(chǎng)進(jìn)行高靈敏度測(cè)量的儀器統(tǒng)稱?；诤ぴ拥拇帕x技術(shù)發(fā)展歷時(shí)已久，第一套商用的氦原子磁力儀出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代，由美國(guó)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(jì)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(qiáng)度高、波長(zhǎng)可調(diào)諧、單色性好等優(yōu)勢(shì)。理論及實(shí)驗(yàn)研究均表明，利用激光作為光源，會(huì)使得磁力儀的探測(cè)靈敏度提高兩個(gè)量級(jí)。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(cè)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(cè)量He4、He3和堿金屬的Cs133、Rb85、K39等原子的磁距在磁場(chǎng)中的進(jìn)動(dòng)頻率從而計(jì)算出磁場(chǎng)值的儀器。如圖1所示，對(duì)一個(gè)原子系統(tǒng)，當(dāng)在z方向存在靜磁場(chǎng)B時(shí)，原子磁距繞磁場(chǎng)進(jìn)行進(jìn)動(dòng)，角動(dòng)量為M，但是每個(gè)原子的進(jìn)動(dòng)相位并不一致，進(jìn)動(dòng)頻率為：WL=rB，其中r為旋磁比。此時(shí)原子能級(jí)發(fā)生分裂，圖2為氦原子的塞曼效應(yīng)能級(jí)圖。只要測(cè)出進(jìn)動(dòng)頻率WL，就可依此計(jì)算出磁場(chǎng)值B。為了測(cè)出磁距進(jìn)動(dòng)頻率WL，可采取的方法有射頻驅(qū)動(dòng)和光驅(qū)動(dòng)。本文以射頻驅(qū)動(dòng)為例說明磁力儀工作的原理。

圖1 原子在磁距中的進(jìn)動(dòng)示意圖

圖2 氦原子在磁場(chǎng)中的能級(jí)圖

射頻驅(qū)動(dòng)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(chǎng)方向?yàn)閦，在z方向加上波長(zhǎng)為D1躍遷線的左旋圓偏振泵浦光（同時(shí)作為探測(cè)光）。根據(jù)躍遷定則，亞穩(wěn)態(tài)23S1上塞曼能級(jí)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?yàn)閬喎€(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(jí)上，達(dá)到粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)。此時(shí)原子系統(tǒng)不再吸收光能，透射光強(qiáng)達(dá)到最大。在x方向加上射頻掃頻信號(hào)，當(dāng)射頻信號(hào)的能量與磁能級(jí)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(chǎng)值）時(shí)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(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，此時(shí)透射光強(qiáng)減小，圖4所示為磁共振信號(hào)。通過在信號(hào)上加上一定頻率的調(diào)制，可實(shí)現(xiàn)對(duì)最大信號(hào)的跟蹤，從而跟蹤磁場(chǎng)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(hào)

2 國(guó)外研究應(yīng)用概況

2.1 各國(guó)磁力儀研究應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，美國(guó)的Geometrics、加拿大的Scintrex、英國(guó)的Bartington等幾家國(guó)外公司幾乎壟斷了全球商品磁探儀的市場(chǎng)。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(chǎng)。

美國(guó)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(hào)；航空磁探儀主要有G-822A、G-823A、G-824C和G-862等型號(hào)；海洋磁探儀主要有G-882、G-882TVG和G-880等型號(hào)。另外，Geometrics公司宣稱，已采用先進(jìn)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(zhǎng)度由279 mm減小至3.9 mm。這項(xiàng)研究得到美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局DARPA和戰(zhàn)略環(huán)境研究發(fā)展計(jì)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(guó)銷售了百余臺(tái)，其pT級(jí)的噪聲和簡(jiǎn)便操作贏得了用戶的好評(píng)。

英國(guó)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(hào)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(guó)氦光泵磁力儀的發(fā)展

美國(guó)的氦光泵磁力儀廣泛應(yīng)用于航空磁場(chǎng)探測(cè)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(dāng)?shù)卮艌?chǎng)方向與光軸平行時(shí)磁信號(hào)最大，垂直時(shí)磁信號(hào)消失，氦光泵通常采用多光系消除探測(cè)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(gè)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(cè)器，主要包括磁力儀探頭、拖魚、探測(cè)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(bǔ)償器和磁異常信號(hào)處理機(jī)。固定翼飛機(jī)上安裝的固定式AN/ASQ-81(V)-1，直升機(jī)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(jìn)行磁場(chǎng)探測(cè)時(shí)，探頭發(fā)射裝置釋放探頭，將探頭拖曳在遠(yuǎn)離機(jī)體處以減少飛機(jī)的磁噪聲，適用于飛行速度和高度較低的航空磁探場(chǎng)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(cè)器。它綜合了微處理器技術(shù)，用以解決飛機(jī)磁干擾補(bǔ)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(shí)現(xiàn)整體化，儀器自身具備一個(gè)RS-232接口，可以直接同標(biāo)準(zhǔn)PC機(jī)連接，以便于顯示和存儲(chǔ)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(jī)型或替換以前AN/ASQ-81(V)安裝的機(jī)型。由于采用數(shù)字信號(hào)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(dá)0.3 pT/√Hz。已經(jīng)完成了在P-3C反潛機(jī)上的試驗(yàn)。

圖7 激光氦光泵磁力儀

3 國(guó)內(nèi)發(fā)展應(yīng)用現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)上世紀(jì)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(jī)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(hào)的數(shù)字式氦光泵海洋磁力儀已投入使用，初步具備與國(guó)外同類儀器展開競(jìng)爭(zhēng)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(jī)的主要裝備之一。由于潛艇磁異常信號(hào)不受空氣、水文變化、泥沙等影響，在對(duì)潛艇定位和攻擊時(shí)，使用磁探儀進(jìn)行最終確定，是國(guó)外航空探潛的通用戰(zhàn)術(shù)。反潛巡邏機(jī)有固定翼和旋翼兩種。對(duì)于固定翼飛機(jī)，一般采用磁傳感器的固定安裝方式，旋翼飛機(jī)大多采用拖曳式，以回避飛機(jī)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(guó)內(nèi)自行研制的航空探潛用磁異常探測(cè)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(jī)試用。第二代產(chǎn)品H/SKC-1型于1998年通過原理樣機(jī)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(jī)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(yùn)-12、運(yùn)-11B、運(yùn)-5等航空物探用飛機(jī)上，從事航空地球物理調(diào)查。近年來，針對(duì)無人機(jī)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(cè)量，在非洲及國(guó)內(nèi)承接航空物探任務(wù)，直升機(jī)、三角翼、飛艇、無人機(jī)等各種飛行器都能適裝。圖9為三角翼動(dòng)力滑翔機(jī)低空磁測(cè)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(cè)平剖圖，下圖為遙感圖。

圖8 GB-10航磁測(cè)量系統(tǒng)

圖9 三角翼動(dòng)力滑翔機(jī)低空磁測(cè)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(dòng)磁補(bǔ)償器、高精度GPS集成在一個(gè)主機(jī)里，可接收機(jī)上飛控系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入、激光高度計(jì)或雷達(dá)高度計(jì)數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)置操作系統(tǒng)，可在各種對(duì)載荷要求苛刻的小型飛行器上無人值守工作。自動(dòng)磁補(bǔ)償器對(duì)飛機(jī)機(jī)動(dòng)引起的磁干擾進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償，使最終的采集數(shù)據(jù)符合航磁測(cè)量要求。圖10中藍(lán)線為未補(bǔ)償?shù)拇帕x數(shù)據(jù)（A），紅線為加拿大航空自動(dòng)數(shù)字式磁補(bǔ)償器AADC的補(bǔ)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(bǔ)償器補(bǔ)償?shù)臄?shù)據(jù)輸出(C)，B、C幾乎重合。

圖10 自動(dòng)磁補(bǔ)償器補(bǔ)償前后對(duì)比

安裝在遠(yuǎn)離飛機(jī)的無磁性磁探桿內(nèi)的磁探儀受到飛機(jī)各種磁干擾的影響，如起落架等引起的永久磁場(chǎng)、操縱鋼索等引起的感應(yīng)磁場(chǎng)、機(jī)身鋁蒙皮等引起的渦流磁場(chǎng)，這些磁干擾比探測(cè)的磁異常要大數(shù)十倍，需要采用磁補(bǔ)償技術(shù)降低磁干擾。飛機(jī)磁干擾補(bǔ)償方案有兩種：測(cè)干擾補(bǔ)干擾和測(cè)地磁補(bǔ)干擾。前者國(guó)外專利介紹中有利用三分量磁力儀測(cè)量磁場(chǎng)梯度而得到磁干擾值[8]，也有用兩套總場(chǎng)磁力儀形成梯度測(cè)量測(cè)得磁干擾值[9]。后者則是基于Tolles-Lauson方程對(duì)飛機(jī)磁干擾進(jìn)行描述而建立起飛機(jī)磁場(chǎng)方程。磁補(bǔ)償分為硬補(bǔ)償和軟補(bǔ)償。硬補(bǔ)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(bǔ)償場(chǎng)。典型的硬補(bǔ)償器是AN/ASQ-65，補(bǔ)償后的品質(zhì)因素為1 nT左右，補(bǔ)償時(shí)間約30 min。軟補(bǔ)償是由計(jì)算機(jī)處理磁干擾的各項(xiàng)系數(shù)，最后用軟件組合成補(bǔ)償場(chǎng)。磁探儀輸出已補(bǔ)償?shù)男盘?hào)，補(bǔ)償后品質(zhì)因素可達(dá)0.45 nT，補(bǔ)償時(shí)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(cè)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(cè)與定位；探測(cè)水雷，尤其是沉底雷探測(cè)與定位；海洋地磁背景場(chǎng)調(diào)查和數(shù)據(jù)庫(kù)的建立，利用這一數(shù)據(jù)庫(kù)，將有助于提高對(duì)重要海域和復(fù)雜背景場(chǎng)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(dāng)于G881。GB-5A型海洋磁力儀按綜合探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，可集成GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、測(cè)深儀和拖體入水深度計(jì)等其它傳感器的信息。GB-5A標(biāo)準(zhǔn)配置的拖纜長(zhǎng)度為60 m，適合于小漁船作業(yè)平臺(tái)，在近海錨地、航道及碼頭等海域的水下小目標(biāo)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(dāng)于G880，適宜深水環(huán)境和大船作業(yè)。標(biāo)準(zhǔn)配置的拖纜長(zhǎng)度達(dá)到500 m以上，重點(diǎn)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(cè)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(dāng)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(dāng)，但在拖體小型化和定深技術(shù)上有重大改進(jìn)。GB-6A采用數(shù)字一體化設(shè)計(jì)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(cè)量船上的綜合處理機(jī)實(shí)現(xiàn)。2009年，在某重要海域探雷工程中，使用GB-6A進(jìn)行大面積掃測(cè)，并對(duì)水雷實(shí)體的磁場(chǎng)特性進(jìn)行了建模分析和數(shù)據(jù)處理，從3 000多個(gè)磁異常點(diǎn)中篩選出30多個(gè)可疑目標(biāo)，經(jīng)下水探摸確認(rèn)其中兩個(gè)目標(biāo)為二戰(zhàn)時(shí)期的遺存水雷（其中一顆已引爆，2009年4月14日CCTV對(duì)此作了新聞報(bào)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(guó)外海洋磁力儀的標(biāo)稱精度基本相當(dāng)。

表1 國(guó)內(nèi)外最新海洋磁力儀主要性能對(duì)比表

4 存在問題及技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

4.1 提高儀器穩(wěn)定性和可靠性

重點(diǎn)是改進(jìn)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(jī)械化操作，對(duì)各工序進(jìn)行過程控制，以及研制專用測(cè)試儀表定量檢測(cè)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(jì)中，充分考慮一體化設(shè)計(jì)。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(duì)性地加以解決。

4.3 小目標(biāo)磁異常定位與識(shí)別

對(duì)于小目標(biāo)探測(cè)，基本上可以將目標(biāo)看成為磁偶極子，利用數(shù)字濾波技術(shù)和埋深估計(jì)技術(shù)實(shí)現(xiàn)小目標(biāo)探測(cè)。另外通過收集整理常見水下目標(biāo)的磁場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)，形成目標(biāo)磁異常數(shù)據(jù)庫(kù)，總結(jié)其磁性特征規(guī)律，為水下目標(biāo)的識(shí)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(cè)盲區(qū)以及方向誤差方面，具有顯著的優(yōu)勢(shì)。

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

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