带灯地磁测量中日变观测的常见问题
高建尽;武同元
【摘 要】地磁日变观测质量主要与仪器性能和观测点的环境有关.本文重点研究了目前在地磁日变测量中主要采用的HC90D氦光泵磁力仪的信号失锁问题,日变站的选址二个对于最终观测精度影响很大的问题,并提出了具体的解决方法.
【期刊名称】《北京测绘》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】3页(P106-108)
【关键词】HC90D型日变观测系统;地磁日变;质量控制
【作 者】高建尽;武同元
【作者单位】海军蚌埠士官学校,安徽蚌埠233012;海军蚌埠士官学校,安徽蚌埠233012
【正文语种】中 文
【中图分类】P223+.4
1 引言
地磁日变是以一个太阳日为周期叠加在地磁场背景上的变化磁场，地磁日变化是磁力测量的最主要误差源之一，当进行高精度的磁力测量时，地磁场的日变是不可忽略的。进行地磁日变观测，目的是测量磁场变化，提供日变校正资料，即提供每天的地磁日变曲线，从而求出日变校正。如发现磁暴，可以及时终止磁力测量。因此地磁日变观测质量对于提高磁力测量精度具有重要意义。
2 HC－90D型日变站系统介绍
目前地磁日变观测主要采用HC90D日变站系统。整套系统由氦光泵磁力仪、数据收录系统、直流稳压电源、不间断电源四部分组成。其核心部件HC－90D氦光泵磁力仪是由磁力仪组成由探头、高频率连接杆、电缆、仪器主体四个部件组成。接上24伏直流电源就组成测量系统。另外，仪器还附带一个高压激发，用来激发探头里的氦灯和氦室。工作时当
高频激发器产生高频激发场，对吸收室内的氦蒸汽进行激发，使氦蒸汽原子变为亚稳定状态，并具有磁性。同时，高频激发场对氦灯进行激发，使其发出一定频率的氦光，然后与吸收室内的亚稳定氦蒸汽相互作用，产生光泵作用。光泵作用的结果使吸收室内的原子磁矩定向排列，此后从氦灯发出的光能最大限度地通过吸收室，经凸镜聚集后，照射到光敏元件上，此时光电流最强。然后，对吸收室外的共振线圈通以交变电流，使之产生一个垂直于被测外磁场的高频交变磁场。当交变磁场的频率与电子两个亚能级之间的跃迁频率相等时，交变磁场与定向排列的原子磁矩相互作用，从而打乱了吸收室内原子磁矩的排列。此时，由氦灯射来的圆偏振光又会与杂乱排列的原子磁矩相互作用，不能穿透吸收室，此时光电流最弱。测定此时的频率，而这个频率与外磁场值成正比，其比值为：28.02356Hz／nT。HC90D 就是测量这个跃迁共振频率来指示磁场值的。
3 影响日变观测质量的主要因素及解决方法
3.1 信号失锁
信号失锁直接导致日变观测资料的缺失。信号失锁主要有以下原因引起：
（1）探头方向不正确
由地磁学知识可知地磁场是个矢量场，磁力线由南极出发，回到北极。即它的方向是由南指向北。在赤道其指向平行于地面，即地磁倾角为0度；在北极其指向垂直于地面，即地磁倾角为90度。不难想象，从赤道面逐渐向北极移动，地磁倾角将由0度逐渐变成90度。在我国长江流域其倾角大约为45度左右。
HC90D的探头是一圆柱体，里面安装了一个光学系统。测量时，当探头与地磁倾角方向一致（即夹角为0度），探头将获得最大信号，仪器可获得高的测量精度。随着夹角的增大，信号将随之减小。可见要使仪器取得最佳的测量效果，就应尽可能使探头轴向与地磁倾角方向箱一致，并使磁力线指向探头带灯的一端。
在测量过程中，如果探头轴向放置成东西方向，那么磁力线与探头成正交，磁力仪就永远接受不到信号而处于失锁状态；如果探头轴向与磁力线方向一致，但与磁力线倾角过大或过小，也同样可使仪器处于失锁状态。要使探头的轴向与地磁倾角始终保持一致操作起来是非常麻烦的。为了操作的方便，有时宁可牺牲一点仪器的性能。比如，在长江流域（北纬30度，地磁倾角大约为45度）和长江流域以北的广大地区，测量时可使探头的轴线方向垂直于地面。这样探头轴向与地磁倾角方向的夹角还会超过45度。在长江流域以南的广大
地区，测量时可使探头的轴线方向平行于地面，并且还要使探头带灯的一端始终指向南方。这样探头轴向与地磁倾角方向的夹角也不会超过45度。
探头最简单的操作是：北方垂直（灯在上面），南方水平（灯向南）。特别需要注意的是任何时候都必须保证探头带灯的一端朝上。
（2）探头未曾激活
这因为探头的“灯”“室”内时惰性气体，所以仪器存放较长一段时间后，再次拿出来使用时，必须先将探头通电一段时间，用来激活惰性气体。存放的时间越长，激活所用的时间也越长，有时甚至需要好几个小时。探头只有“灯”亮，或者只有“室”亮，都不是探头完全被激活的状态。尤其是“室”的观察孔比较小，在确认“室”是否已经亮时需要特别注意。
激活探头的具体操作方法如下：按要求将仪器连接好，打开电源，用高压对准探头上的激发点，一边按激发按钮（每次按3秒左右），一边观察探头上的观察孔，反复进行，直到探头里的“室”被激活，打开探头上盖，看“灯”是否被激发，若没有亮，重复激发，直到“灯”也被激亮（“灯”“室”必须都亮）。
刚开始时，“灯”“室”呈灰白的光。随着通电时间的加长，“灯”“室”的光由灰白渐渐变成金红，并且亮度大大增强。当“灯”“室”达到一定的亮度时，仪器就能自动进入锁定状态。一旦开始工作，比如每天（或隔几天）工作一次，开机后仪器在短时间内就能进入工作状态。
（3）仪器处于强乱磁场
强乱磁场导致信号失锁的典型情况就是受到磁暴的影响。磁暴是由太阳喷射出来的粒子流在地磁场中突然增加而形成的。太阳粒子流是由带正电的离子和负电的电子组成的电性中和粒子流。显然这些粒子流是良好的导体。当粒子流进入地磁场的作用范围，粒子流切割磁力线，结果在前沿表面上就产生感应电流。这个电流产生的磁场使水平强度增强。当粒子流愈走近地球，感应电流愈强，当粒子流移出，环电流失去粒子供应，而逐渐消失。环电流失去粒子流的过程就是磁暴消失的过程。由上述可知，磁暴的影响在磁赤道附近最强，随纬度的升高而减弱。显然，在磁暴发生时，由于干扰强而不规则，因此，野外磁力测量工作必须停止。如果不能及时通知测量船停止工作，那么测船在磁暴期间所完成的测量任务必须在磁暴消除以后重新进行重测。其他的强乱磁场，如收音机的喇叭，如果靠近探头，也会使仪器信号失锁。
3.2 日变站选址不当
在仪器没有故障的情况下，日变站选址的质量直接影响到日变观测的精度。日变站选址不当主要包括人为干扰多和磁场变化梯度过大。人文干扰以其持续时间的长短可分为瞬时干扰和恒定干扰。瞬时干扰会使日变曲线产生尖峰，恒定干扰会使日变曲线出现掉格现象。
1.环境干扰大
环境干扰主要是指日变站附近有光缆及电话线和广播线经过，周围有道路有较多的车辆通行和人员活动。我们知道，电流的运动会产生磁场，因此，电线尤其是高压线周围存在较强的磁场，光缆、电话线和广播线不仅有电流通过有的本身含有磁性材料。行人携带铁质物品以及手机靠近探头也会引起磁场的变化。在这些影响中，以车辆的影响最为显著。一辆小型汽车在50米外经过探头时磁场强度会产生10nT的变化。为了减少这些干扰，要求我们在日变站选址过程中，一定要充分的观察，仔细选择，避免在这些容易产生磁场的地方放置探头。必要的时候可以设立警示标志，禁止人员和车辆靠近探头，以尽量减少人文干扰。