航空全张量磁力梯度测量

6.4　航空全张量磁力梯度测量

关于航空全张量磁力梯度测量问题，详见第4章，在这里我们补充一些新的资料。

6.4.1　德国IPHT的杰希之星JESSY　STAR

在SQUID应用于地球物理方面，德国的IPHT技术比较成熟，杰希之星（JESSY STAR）是其代表，JESSY是耶拿超导量子干涉器件系统的简称（JEna Squid SYstem，JESSY）。

一个飞行测量系统很重要的参数是在飞行中受噪声限制的灵敏度，现在JESSY STAR各梯度道的rms噪声水平在飞行不太颠簸的条件下，低于10pT/m，带宽4.5Hz。这是一系列改进的结果，包括更精确的惯性导航系统，新设计的吊舱具有更好的平衡与空气动力学特性，因而降低运动噪声，进一步减小天电与人文干扰。在飞行时JESSY STAR可以连续不断地测量磁场的各个梯度与曲率，提供仪器附近磁性目标分布的三维信息。在2008—2009年间，飞行测量主要关注SQUID技术在勘查油气、煤层气、煤以及地热方面的适用性。JESSY STAR测量与普通的非定向的TMI测量相比，尽管JESSY STAR测量少一些，它还是能够获得地下或水下磁性分布的三维情况。因而可能发现和准确确定位于测线之间的小目标。

图6-1　TMGS导出的不变量I₁等值线间距50（nT/m）^［19］

图6-2　TMGS导出的不变量I₂等值线间距500（nT/m）^［19］

图6-3　无磁性吊舱吊放在直升机下20m处^［22］

装有梯度仪、磁力仪及电子器件的吊舱，最先吊放在直升机下90m处，后来缩短到42m，现在又缩短到20m，见图63。图64是在南非某地的测量成果，显示7km×7km面积一个测区的全磁力梯度张量诸要素。为了便于对比，还显示了G_zz，其实G_zz＝G_xxG_yy。由图可见，不同的地质特征非常明显，各个张量要素的作用像方向滤波器［20～22］。

图6-4　JESSY　STAR测得的磁力张量要素^［22］

6.4.2　美国的HTSSQUID航空全张量磁梯度仪系统

美国橡树岭国家实验室的一个小组，在执行一项研究和开发航空全张量磁力梯度仪系统的计划，这个系统将用来探测和圈定UXO。这个小组利用现有的由美国海军提供的HTSSQUID，与该项目所开发和使用的航空地球物理平台结合起来，组成航空全张量磁力梯度仪系统，进行飞行试验。海军提供的这套仪器是美国特瑞斯坦技术公司（Tristan Technologies，Inc.）研制的三轴高温（液氮）SQUID磁力仪（Model G877 3axis 77KGeophysical Magnetometer SQUID System，它包括八个SQUID元件，组成一个特独的阵列。小组巧妙地安排SQUID元件，使之可以测量总磁场的三个分量与诸梯度值。相邻SQUID元件间的距离约30mm。根据理论分析，几次测量就可以确定等效偶极子，因此这个系统可以在三维空间中追踪磁偶极子，见图65。

图6-5　T877元件排列及测量磁场分量与阵列元素的原理^［26］

小组公布了地面试验的结果，得到了各种条件下的噪声水平，还在屏蔽条件下进行了模型实验，用一个小型载流回线形成垂直的偶极子，模拟目标特征。用仪器在上方测量几条剖面，画出实测图形，与理论计算结果相比，两方面的形态大体上相似。不仅证实仪器的工作性能，还检验偶极子追踪算法［23～25］。

试验结果进一步表明，这个高温（液氮）SQUID系统在静止状态下工作正常，但是在运动状态下，产生了许多技术问题，有些问题无法解决甚至不能解释。审视在野外进行的研究工作表明，低温（液氦）SQUID梯度系统可能更适合在运动平台上工作，不过更加复杂^［27］。

在这里，提出三方面需要考虑的问题：一是低温下SQUID噪声水平很低；二是应考虑运动中磁测系统的稳定性问题；三是应该考虑磁测系统的定向问题，否则不能获得真正的张量。德国科技工作者在加拿大与美国同行研究试验的基础上，经过长期艰苦的努力，终于取得了成功，推出了JESSY STAR。德国科技工作者早先试验时，吊舱是借用加拿大的。加拿大也进行过低温SQUID试验，后因故停止。德国科技工作者的成功还应归功于科技基础坚实，财力雄厚。

美国科技工作者用T877进行了飞行试验，在一辆道奇卡车上方得到了异常显示，见图66。作者估计他们没有安装定向系统，没有见到他们的其他成果。

图6-6　T877的飞行试验［26］

梯度仪安装在一架Cessna Caravan飞机的尾锥内，蓝色曲线表示没有卡车，红色曲线表示有卡车

6.4.3　澳大利亚的GETMAG和MAGSAFE

澳大利亚最大的政府研究机构——联邦科学工业研究组织（CSIRO）的工业物理学部自从20世纪70年代发现约瑟夫逊结（Josephson　junction）和SQUID之后，即开展超导体的研究。1987年发现高温超导体之后，CSIRO组成了一个小组，专门研究这类新的陶瓷材料，在制备和应用方面取得了进展。2000年，用一个双SQUID差分梯度仪做了一些初步试验之后，工业物理学部和勘探与矿业部以及五个矿业公司合作，开始执行一项磁张量梯度仪的研究开发计划，研发一种可以测量全部九个地球磁场张量要素的HTS SQUID系统。研究小组采用了一种创新设计，使梯度仪绕其轴旋转。初步试验用人工转动这个系统，验证了系统设计的可行性，可用于矿产勘查。目前澳大利亚正在执行一项研究地球浅层的庞大计划——透视地球（Glass Earth），其中包括研制航空张量磁梯度仪GETMAG（Glass Earth Tensor Magnetic Airborne Gradiometer，GETMAG）。梯度仪的灵敏度优于0.01nT/m，基线长度（两磁力仪传感器间的距离）3cm。GETMAG可以探测几百米深处，磁化率只有微弱差别的地质现象［28～31］。

作者以为，澳大利亚科学家们的设计思想很可能来自美国用于潜水艇导航的重力梯度测量技术。三个梯度仪按伞状排列，做旋转运动，似乎是将静态的信号（引力场和磁场的梯度）以一定的频率加以调制，使之便于测量（见第9章）。

澳大利亚国防科学与技术组织（DSTO）和联邦科学工业研究组织（CSIRO）共同出资700万澳元，用作研究航空圈定和识别潜水艇的新方法，要求用与GETMAG相同的设计概念为PC3Orion飞机研制新型的MAD系统（magnetic anomaly detector system），命名为MAGSAFE。配备了MAGSAFE的侦察机将能取得目标潜水艇的详细信息：距离、深度、航向、速率、是否正在下潜。同时担任GETMAG和MAGSAFE两个研究项目的首席科学家物理学博士凯瑟·福蕾（Cathy Foley）女士说（她是澳大利亚物理学协会主席），从理论上看，由于测量3D数据，为了锁定目标，只需要一条测线靠近目标，飞机不必飞越目标正上方。与目前的MAD相比，预期MAGSAFE探测距离更大，功能全面，抗干扰能力强，能在浅海海域使用［32～34］。

2007年，凯瑟·福蕾（Cathy Foley）等用直升机吊放的方法进行了SQUID旋转张量

梯度仪的飞行试验，飞过一个磁偶极子源，据说磁测结果与计算结果符合^［35］。后来未见到进一步的信息，笔者曾预计澳大利亚科学家可能在短期内获得成功，现在看来，他们遇到了技术难题。