探索神秘海洋磁場

我們從初中的歷史課上就知道一件事——指南針是中國古代的四大發(fā)明之一。指南針的發(fā)明和傳播對文明的發(fā)展產(chǎn)生了很大的影響，讓航海時代和世界范圍的交流成為可能。經(jīng)過幾個世紀的更迭，盡管指南針已經(jīng)在海上導航和定位方面失去了重要地位，取而代之的是無線電、衛(wèi)星等手段，但是，海洋磁場探測在海洋地震監(jiān)測與研究、海底地質(zhì)研究、海洋礦產(chǎn)資源勘探、海洋油線管道調(diào)查、水下磁性目標探測、水下潛器自主導航等方面仍然能夠提供重要的基礎(chǔ)資料。尤其是對微弱磁場的探測技術(shù)，是國家實現(xiàn)“透明海洋”戰(zhàn)略的關(guān)鍵技術(shù)。

1851年，渥拉斯頓在橫過英吉利海峽的海底電纜上，檢測到和海水潮汐周期相同的電位變化，由此人們開始了對海洋中的電磁現(xiàn)象的研究。海洋中的磁場由地球磁場、潮汐電流、地球電流等共同作用形成，強度大約在30-70μT，而一個冰箱貼的磁場強度就接近1000μT，可見海洋磁場是比較微弱的。另外，海洋磁場由于受到潮汐的影響，會隨著日升日落和季節(jié)更替而變化，日變值只有數(shù)十個nT。如此微弱的磁場變化，對傳感器的要求十分之高。首先，這個傳感器必須有足夠高的磁場分辨力，才能感知到海洋磁場的變化；其次，不能受周圍其他設(shè)備電磁場以及溫度變化的干擾，否則將大大影響測量精度；同時，傳感器必須是防水耐腐蝕的，才能在海洋環(huán)境中長期監(jiān)測。

這樣的需求該如何滿足呢？我們想到了光纖傳感器。光纖傳感器，顧名思義，是利用光纖作為傳光和傳感的元件，光纖本身具有抗電磁干擾、絕緣、耐腐蝕等優(yōu)點，能夠在航空航天、資源勘探、海洋探測等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，尤其對于海洋磁場檢測，能夠發(fā)揮出巨大優(yōu)勢。那么光纖傳感器如何能夠感知到磁場的變化呢？想要將其應(yīng)用到磁場檢測，這是一個必須解決的問題。

趙勇團隊多年來對基于光纖傳感器的海洋磁場檢測技術(shù)開展深入研究，率先提出了基于磁流體光學特性的磁場傳感器技術(shù)，創(chuàng)造性地將磁流體與光纖技術(shù)相結(jié)合。磁流體是一種磁性膠體，由磁性粒子、表面活性劑和載液組成。趙勇團隊經(jīng)過系統(tǒng)性地研究，發(fā)現(xiàn)磁流體具有雙折射、折射率可調(diào)和透射率可調(diào)等光學特性，也就是說，當周圍磁場變化時，磁流體的折射率、透光率、雙折射率等光學參數(shù)將發(fā)生變化，而這些變化將直接影響到從中傳播的光信號，通過對光信號變化進行解調(diào)，成功研制出了新型的光纖磁場傳感器，分辨力可達0.01nT。

這項研究開拓了光學磁場傳感器的新原理，通過法布里珀羅腔、模式干涉儀等光纖結(jié)構(gòu)，結(jié)合游標效應(yīng)、磁流體體積效應(yīng)等新效應(yīng)，解決了傳統(tǒng)磁場傳感器分辨能力不足、響應(yīng)時間長、易受環(huán)境溫度干擾等問題。在此基礎(chǔ)上，進一步提出了基于特種七芯光纖的海水溫度、鹽度、深度、磁場四參量一體化陣列式檢測方案，將傳感器功能進一步擴展至多參量多點位大容量光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。

下一步，該團隊計劃對海洋環(huán)境多參數(shù)一體化傳感器的解調(diào)算法進行研究，針對大容量傳感器信息，分析研究基于多次相位補償?shù)母叻直媪?、大量程的傳感器信號解調(diào)算法的可靠性和穩(wěn)定性，實現(xiàn)海洋環(huán)境多參數(shù)傳感信號的區(qū)分。