光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用

刘胜旋，关永贤. 光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用[J]. 海洋测绘， 2002，22(1)：25-29. 1 光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用 广州海洋地质调查局资料处理研究所 刘胜旋 摘要 大家都知道，光缆传输的是光信号，光信号是无法产生磁异常的。但是，在实际光缆路由调查工程中，我们在光缆上面用G880-G磁力仪却能测量到明显的磁异常。那么，光缆产生磁异常的原理是什么呢？本文作了两个假设，试图了解光缆产生磁异常的原理。一个是电流-磁场模型，光缆除了包含有许许多多的光纤外，通常还包含有许多转发器，这些转发器必须依靠电流才能正常工作，而这些电流可能是产生磁异常的原因。另一个假设为圆柱体-磁场模型，光缆除包含有许多软性保护材料外，还包含有钢质材料或磁性材料，这些材料如同水平无限延伸的圆柱体一样，也可能是产生磁异常的原因。本文最后还讨论了光缆的定位、定深问题。 关键字 光泵磁力仪 光缆 塞曼分裂 光泵作用 磁场总强度(T) 磁异常总强度(Ta) 总磁异常(△T) 正常场(T0)

一、 引言 2000年8月和2001年3月，广州海洋地质调查局与国家海洋局二所、一所合作，先后两次在香港南部海域进行了3条光缆路由调查。该光缆路由为环亚太光缆：香港-上海-韩国-日本-马来西亚-香港的一部分，每一段的中心长度大约为300公里左右。调查项目有：多波束水深测量、侧扫声纳测量、浅层剖面测量、地质取样、磁力测量等。主要目的是为了选择光缆的精确路由进行水深、地形、地貌调查，以及确定光缆路由与以前铺设的缆线（光缆、电报电缆、同轴电缆等）的交点位置，以便于施工时采取一些必要的措施，以免损坏以前铺设的缆线。光泵磁力仪在此次调查中的作用就是为了确认它们的交点位置。

二、 G880-G磁力仪的工作原理 光泵磁力仪是利用近二十多年新发展起来的光泵技术制成的高灵敏度、高精度磁力仪。可用于国防磁探测、地磁绝对测量及磁法勘探、工程地质调查等方面。

1. 能级跃迁 电子是按一定的规律分布在不同的电子层轨道上围绕着原子核旋转，在不同电子层上的电子具有的能量是不同的。电子处在稳定的最低能级电子层上时称为基态，处在较高能级时称为激发态。在正常情况下，电子总是处在最稳定的能级状态中。如果电子吸收特定辐射频率的光子（电磁波），可以从基态跃迁到较高能级的激发态；也可以放出特定频率的光子而回到基态。假设两个能级之间的能量差为△E，则光子的相应辐射频率γ为 △E＝γ·h 式中h成为普朗克常数。如果光子的辐射频率满足不了这一关系，电子就不能跃迁，这种现象叫能级跃迁。 刘胜旋，关永贤. 光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用[J]. 海洋测绘， 2002，22(1)：25-29. 2 2. 塞曼分裂与光泵作用 碱金属（钾、钠、铷、铯等）的最外层只有单个不成对的电子（价电子）。在正常情况下，原子的总磁矩为零。当加上外部磁场（被测的地磁场）后，在外部磁场的作用下，原子的一个能级分裂为几个亚能级，亚能级之间的能量差与所加的外部磁场成正比，这种现象叫塞曼分裂。 如果采用光学技术，选择出一定频率的光照射在含有碱金属蒸汽的吸收室中，价电子吸收这种频率的光从基态亚能级跃迁到激发态亚能级。不稳定的激发态电子又很快地放出光子自然地回到任一基态亚能级上，有些落到不能激发的非吸收亚能级。这个过程反复重复着，落到这个非吸收亚能级的原子越来越多，其他亚能级的原子就越来越少。结果有可能使所有的原子都集中到这个非吸收亚能级上，有规则的排列，在也不吸收任何光。这种利用光把原子泵激到特定的亚能级的过程叫做光泵作用。

3. 跟踪式铯光泵磁力仪 它的探头装置如图1所示。首先，高频激发源产生高频激发场，对吸收室内的铯蒸汽进行激发，使铯蒸汽原子变为亚稳定态，并具有磁性。同时，高频激发场对铯灯进行激发，使其发出一定频率的铯光，然后与吸收室内的亚稳定铯蒸汽相互作用，产生光泵作用。光泵作用的结果是吸收室内的原子磁矩定向排列，此后从铯灯发出的光能最大限度地通过吸收室，

经凸镜聚焦后，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，由铯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f，而这个频率f与外磁场H成正比。当外磁场不太强时，对于铯133，这个频率可以表示为： f＝3.49828H 故 H=0.285854f(γ) 由此可见，只要准确地测出交变磁场的共振频率f，就可以测出磁场强度来。

吸收室 滤波片 凸镜 偏振片 调制场

凸镜

光敏元件 铯灯 高频激发源

共振线圈

图1 跟踪式光泵磁力仪探头装置示意图 刘胜旋，关永贤. 光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用[J]. 海洋测绘， 2002，22(1)：25-29.

3 三、 光缆磁场模型的假设 大家都知道，光缆传输的是光信号，光信号是无法产生磁场的，那么，光缆是如何产生磁异常的呢？让我们首先作以下假设。 一根标准的陆地光缆如图2所示。但对于海底光缆，因其铺设环境的特殊性，它除了由光纤及一些软性保护材料组成外，通常还有钢质保护层和电流导线。有两种可能可以使光缆产生磁力仪能够测量到的磁异常，第一就是光缆包含钢质材料或磁性材料，因此地磁场的磁力线集中通过光缆而产生磁异常。如果以铜质材料取代钢质材料则无磁异常产生。第二，每一条海底光缆都安装有许多转发器，这些转发器必须依靠电流才能正常工作，但它的回流不是通过另外一根导线而是通过大地来完成的。因此，有电流通过光缆则可以产生外部磁场，如果想用磁力仪测量到该磁异常，则通过光缆的电流必须为直流电或者低频电流（低于磁力仪的采样率）。

1. △T的物理意义 现在，不论是航空磁测，还是海洋磁测，都是直接测量磁场总强度T，而后以总磁异常 △T成图。磁异常总强度Ta是磁场总强度T与正常场T0的矢量差，即： Ta＝T－T0

而△T是T与T0的模量差，即：

0TTT （1－1） △T既不是Ta的模量，也不是Ta在T0的投影（如图3）。

根据矢量三角形的余弦定理 cos20220aaTTTTT

上式中的θ是Ta与T0间的夹角。根据（1－1）式，上式可写为

图3 △T与Ta的关系图

图2 标准光缆截面图 刘胜旋，关永贤. 光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用[J]. 海洋测绘， 2002，22(1)：25-29. 4 图4 圆柱体模型磁异常曲线定性示意图 磁倾角为90度磁倾角为0度磁倾角为30度

X

2/102200)cos2(aaTTTTTT

对上式两端取平方，并除以T02，则得

cos)(2)()(2)(020020TTTTTTTTaa

 （1－2）

当Ta<则：（Ta/T0）2≤0.00198。又因△T化为： △T≈Tacosθ=Tacos(Ta，T0) （1－3） 上式表明，当磁异常总强度Ta不大时，可以近似把△T看作时Ta在T0方向得投影；海洋磁力测量中一般Ta≤2000nT，在进行高精度地面磁测的地区，一般Ta也不大。因此将△T近似看作Ta在T0方向得投影，有足够的精度。另外，T0在相当大的区域内，方向变化不大(10000km2内变化1°左右)，因此，可以把△T看作是Ta在固定方向的投影。在光缆磁异常电流模型中我们将利用到此结论。

2. 圆柱体模型 当光缆含有钢铁材料或磁性材料，平铺设于海底时，可以把它看作是一条走向水平、无限延伸的圆柱体。则

（1－4） 式中： ms：有效磁化强度。 is： 有效磁化倾角。 I： 正常场（T0）磁倾角。

)]902cos(2)902sin()[(sinsin)(2mT22222s0sssiZxixZiIZxπμ＝△刘胜旋，关永贤. 光泵磁力仪在光缆路由调查中的应用[J]. 海洋测绘， 2002，22(1)：25-29.

5 Z： 光缆的埋深。 x： 观测点至光缆的水平距离。 注：单位为SI制。 对于本例，假设I=30°。由（1－2）式绘制出光缆圆柱体模型的磁异常曲线定性示意图如图4中虚线所示。

3. 电流模型 由于光缆周围的介质均为非磁介质，当通过光缆的电流为直流电或者低频电流时，光缆中的线电流在其周围空间产生的磁场可表示为：

πrIH2

由于磁力仪测得的是在T0方向的分量△T（如图5）。因此 )cos(2)cos(izxarctgrIiHT

即 )cos()(22122izxarctgzxIT （1－5）

式中： △T：电流磁场H在T0方向的分量。（单位为nT） I： 光缆的电流强度。（单位为安培） x：观测点P至光缆的水平距离。(单位为cm) z：光缆的埋深。(单位为cm) α：电流磁场H与水平面之间的夹角。 i：正常场T0方向与水平面之间的夹角。 注：单位为CGSM制。 由（1－2）式绘制出光缆电流模型的磁异常曲线定性示意图如图6所示。由图可见，在磁倾角为30°的区域，该磁场曲线（虚线）与圆柱体磁场模型的磁场曲线除了都为南正北负外。其它特征均截然相反，如当磁倾角为0°时，圆柱体模型为关于y轴对称的负异常，而电流模型则为关于y轴对称的正异常；90°时，圆柱体模型为关于y轴对称的正异常，而电流模型则为关于原点对称的南正北负异常。

P z x

I Z

X 图5 光缆横剖面内磁场分布 △T α

i

r

H

T0 O