海洋磁力儀在沉艦探測(cè)定位中的運(yùn)用

余愷 周春水 王澤冰

（1.第七一五研究所，杭州，310023；2.國(guó)家文物局水下文化遺產(chǎn)保護(hù)中心，北京，100029）

（3.山東省水下考古中心,濟(jì)南,250014）

山東威海灣海域是近代甲午海戰(zhàn)的發(fā)生地，“定遠(yuǎn)號(hào)”等戰(zhàn)船均沉沒于此。據(jù)有關(guān)史料，日軍曾對(duì)沉艦進(jìn)行拆解。時(shí)至今日，隨著港內(nèi)泥沙的淤埋，沉艦位置已顯模糊、保存情況更無從得知。100多年過去了，這些早已成為珍貴的歷史文化遺產(chǎn)。探測(cè)并定位沉艦，可為以后的研究與保護(hù)提供依據(jù)。

海底鐵磁性沉艦探測(cè)可選的儀器有多波束側(cè)掃聲吶和磁力儀等。由于待探測(cè)的山東威海灣面積較大，水文情況復(fù)雜，且沉艦?zāi)甏^遠(yuǎn)，目標(biāo)很可能被泥沙或淤泥掩埋，在該環(huán)境下，聲學(xué)設(shè)備探測(cè)使用受限且效率較低。而磁力儀探測(cè)的特點(diǎn)是能準(zhǔn)確探測(cè)鐵磁物質(zhì)所引起的磁異常，且不受空氣、水流、泥沙及水文條件等的影響。綜合考慮，先用海洋磁力儀對(duì)威海灣的沉艦進(jìn)行大面積搜索探測(cè)，再用聲學(xué)設(shè)備對(duì)可疑點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 沉船的磁異常模型和異常解析

當(dāng)水下拖體與探測(cè)目標(biāo)的距離大于拖體長(zhǎng)度 2倍時(shí)，可把目標(biāo)磁異常等效為磁偶極子場(chǎng)[1,2]，其磁異常表達(dá)式為：

式中：

上式中，i為磁化傾角，δ為x軸正方向與磁化北方向的夾角，I0為地磁場(chǎng)傾角，A′為地磁場(chǎng)偏角。根據(jù)磁偶極子的磁異常表達(dá)式，可估計(jì)目標(biāo)的磁異常，這在沉船識(shí)別時(shí)是非常重要的。

2 海洋磁探測(cè)系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

GB-6B海洋氦光泵磁力儀如圖1所示，它將數(shù)字式小型化高精度氦光泵磁力儀全部集成在水下拖體內(nèi)，控制顯示和數(shù)據(jù)處理由船艙上的綜合處理機(jī)實(shí)現(xiàn)。同時(shí)，將GPS導(dǎo)航定位系統(tǒng)、磁力儀、水深測(cè)量?jī)x、壓力高度計(jì)等集成為綜合測(cè)量系統(tǒng)，借助相配套的導(dǎo)航和數(shù)據(jù)采集軟件，實(shí)時(shí)完成高精度磁測(cè)。

圖1 GB-6B型海洋氦光泵磁力儀

2.2 海上作業(yè)方式

磁力儀工作示意圖見圖2，通常采用拖曳方式工作。由拖纜連接固定于船尾。測(cè)量船選擇木船較為理想，可以避免船體及船上的鐵磁性物體對(duì)磁力儀工作狀態(tài)的影響。

圖2 GB-6B海洋氦光泵磁力儀海上探測(cè)示意圖

2.3 目標(biāo)探測(cè)能力分析

GB-6B型海洋氦光泵磁力儀探測(cè)能力可按公式（2）估算，示意圖如圖3所示。

圖3 GB-6B型海洋氦光泵磁力儀探測(cè)能力示意圖

式中：OD為有效探測(cè)斜距；T2為目標(biāo)可靠檢測(cè)值；T1為欲探測(cè)目標(biāo)在距離R時(shí)的實(shí)測(cè)磁異常值，探頭入水深度為h1，目標(biāo)掩埋深度為h2，磁力儀可探測(cè)的寬度為2W。

3 沉艦探測(cè)結(jié)果

GB-6B型海洋氦光泵磁力儀完成了威海灣海域的全覆蓋探測(cè)，對(duì)有磁異常的地方，再進(jìn)行了加密探測(cè)。分析磁異探測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)一步結(jié)合磁異常大小、寬度及周圍測(cè)線的磁異常情況等分析，推斷了疑似沉艦位置。疑似沉艦的典型磁異常曲線和等值線圖分別如圖4、圖5所示。最大磁異常幅值為791 nT，顯然與7 300 t左右的沉艦磁異常值相差較大。多波束側(cè)掃聲吶在疑似區(qū)域探測(cè)后的結(jié)果如圖6所示，圖中藍(lán)色圓圈位置為疑似沉艦的磁異常點(diǎn)，紅色色塊為遺存的圍堤，通過查閱史料，可知當(dāng)時(shí)曾筑壩抽水拆解，磁力儀所探測(cè)得到的磁異常點(diǎn)位于紅色色塊區(qū)域之內(nèi)，磁異常值僅反映剩余的鐵磁物，推斷此處為定遠(yuǎn)艦沉沒點(diǎn)。

圖4 疑似沉艦的典型磁異常曲線

圖5 疑似沉艦的等值線圖

圖6 多波束驗(yàn)證磁法定位的磁異常點(diǎn)

4 結(jié)論

本文通過對(duì)沉船磁異常模型的構(gòu)建及解析，指導(dǎo)了海洋磁力儀在山東威海灣的磁測(cè)數(shù)據(jù)分析和疑似位置推斷，并與多波束聲吶測(cè)量數(shù)據(jù)相互驗(yàn)證，結(jié)果一致。海洋磁力測(cè)量設(shè)備和多波束聲吶裝置聯(lián)合探測(cè)可以取得更好的探測(cè)效果，這是今后需要進(jìn)一步研究的水下目標(biāo)探測(cè)手段。