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。經過幾個世紀的更迭，盡管指南針已經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、海底地質研究、海洋礦產資源勘探、海洋油線管道調查、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資料。尤其是對微弱磁場的探測技術，是國家實現“透明海洋”戰(zhàn)略的關鍵技術。

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，創(chuàng)造性地將磁流體與光纖技術相結合。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。趙勇團隊經過系統(tǒng)性地研究，發(fā)現磁流體具有雙折射、折射率可調和透射率可調等光學特性，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，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構，結合游標效應、磁流體體積效應等新效應，解決了傳統(tǒng)磁場傳感器分辨能力不足、響應時間長、易受環(huán)境溫度干擾等問題。在此基礎上，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絡。

下一步，該團隊計劃對海洋環(huán)境多參數一體化傳感器的解調算法進行研究，針對大容量傳感器信息，分析研究基于多次相位補償的高分辨力、大量程的傳感器信號解調算法的可靠性和穩(wěn)定性，實現海洋環(huán)境多參數傳感信號的區(qū)分。