0 引言

DI仪作为地磁偏角D和地磁倾角I的观测设备，是目前实现地磁观测的主要绝对观测仪器之一。地磁绝对观测依然处于人工测量阶段，由于人工观测DI仪属于高精密仪器，加工工序复杂，生产难度大，且需求有限，造成人工观测DI仪无法形成生产规模，基本处于停产状态。人工观测DI仪完全依赖人工观测完成测量，为了达到较高的观测精度，每个台站需配备专职观测员，由于受到时间、体力、人为误差等因素的影响，致使现有人工观测DI仪无法大量普及，更无法实现长时间连续观测；同时，由于观测人员无法在高海拔、荒漠、海岛等自然条件较差的环境中观测，导致人工观测DI仪无法突破地域限制（Loo et al，2007；Auster et al，2007；谢凡等，2011；谢凡，2012；王锋吉等，2013）。

开展地磁绝对观测自动化技术研究和仪器研发，是实现地磁台站完全自动化的关键，也是实现地磁台站无人值守的必经之路，是当前地磁观测技术研究的热点。国际气象学和大气物理学会（the International Association of Geomagnetism and Aeronomy，IAGA）的成员单位均开展了自动化绝对地磁观测系统研发，其中仅德国和比利时开展了地磁场倾角与偏角自动观测技术研究和观测系统研发，并已制成样机（Rasson et al，2008）。

基于传统磁通门经纬仪观测原理，比利时皇家气象学院的RASSON团队于2004年开始AUTODIF绝对地磁观测系统的研发，实验样机于2006年完成，截至2012年已完成3代样机研制，第3代样机实现了自动化观测与数据采集，磁偏角D的测量误差小于20′，磁倾角I的测量误差小于6′，实现全天连续测量（Magnetic Valley，2012）。德国布伦瑞克工业大学Auster团队基于高斯的地磁空间理论，通过欧拉变换实现地磁空间与地理空间的磁场值变换（Auster et al，2007），于2003年完成GAUSS（geomagtic automated system）绝对地磁观测系统的研制（Auster et al，2003）。

国产自动化磁通门经纬仪原理样机研制工作于2017年完成，填补了中国相关研究空白，项目组完成了无磁二维旋转机构设计与模型仿真、高精度照准机构研制等主要关键技术的研究工作，为自动化磁通门经纬仪国产化奠定了研究基础。

1 观测原理

磁偏角D是磁北方向与地理北方向的夹角，这是一个水平面内的夹角。因此，测量D是利用水平度盘读数，在水平度盘上确定磁北和地理北的位置，进而计算得到磁偏角数值。磁倾角I是地磁场总强度F与水平强度H的夹角，是一个在磁子午面内的夹角。因此，测量I要求磁轴在磁子午面内，利用垂直度盘读数，在垂直度盘上确定地磁场总强度方向，进而计算得到磁倾角数值，见图 1、图 2。

2 关键技术研究 2.1 设计结构

自动化磁通门经纬仪主要由控制主机、集成电源和测量本体组成，见图 3。控制主机主要功能为：实现与PC端的网络通讯和数据传输；实现集成电源为测试本体的供电控制；实现电机运动使能信号的传输，控制电机转动参数；通过GPS授时，完成测试本体上各传感器信号的同步采集。集成电源主要功能为：在接收到上电信号后，为对应的不同传感器提供相应的供电输出；在接收到断电信号后，结束对不同传感器的供电输出。测量本体主要功能为：通过无磁电机、激光读数头和光栅马盘组成的闭环控制系统，实现二维转动机构的高精度转动控制；利用激光发射机照射PSD标志物的对准技术，实现水平和垂直基准以及地理北的高精度对准（尚鸿雁等，2005；吴赛燕，2007；李康等，2010）；利用“指零法”，通过磁通门传感器的转动寻找空间中的地磁北和地磁倾角（周锦屏等，1999；中国地震局地球物理研究所，2001；中国地震局监测预报司，2002；范晓勇，2011）。

2.2 关键技术

自动化磁通门经纬仪总体设计方案的主要关键技术包括无磁二维旋转机构设计和高精度照准机构研制。

（1）无磁二维旋转机构设计。无磁二维旋转机构是自动化磁通门经纬仪完成观测自动化测量的主要执行体，通过二维无磁旋转机构，可自动实现高精度单分量磁通门探头的水平旋转和垂直旋转，最终实现高效率的地磁参数自动测量。具体结构设计见图 4。

无磁二维旋转机构包括水平无磁旋转单元和垂直无磁旋转单元，保证测量单元在垂直和水平空间中旋转。为了避免对单分量磁通门探头的测量产生干扰，水平无磁旋转单元和垂直无磁旋转单元均是由无磁压电电机驱动完成（张铁民等，2000；苏鹤玲等，2001；魏守水等，2002；黄青华等，2003）。两组无磁压电电机、激光读数头和圆光栅码盘组成的闭环控制系统，对于水平无磁旋转单元，通过控制第1压电电机，实现水平空间旋转，通过第1激光读数头可读取到水平旋转角度；对于垂直无磁旋转单元，通过控制第2压电电机，实现垂直空间旋转，通过第2激光读数头可读取到垂直旋转角度；由此实现单分量磁通门探头高精度且自动化的旋转。

（2）高精度照准机构研制。为了配置一个高精度标志物作为地理北的方位参考，研制高精度照准机构。本项目设计的标志物传感器是一种可实现同一个PSD传感器对2路不同高度入射激光进行方位测量的传感器，见图 5。

为了降低观测误差，需要采用正镜对准和倒镜对准标志物的方式，从而消除和降低仪器安装误差。正镜对准是指：激光器位于磁通门传感器上方；反镜对准是指：激光器位于磁通门传感器下方。

当采用正镜对准激光标志时，如图 6所示，激光器位于单分量磁通门传感器上方。此时，激光器发射出的激光光束直接入射到分束镜的中心线，经分束镜透射后的激光光束投射到PSD位置传感器。因此，PSD位置传感器可以检测到激光器发射出的激光光束方位。

当采用反镜对准激光标志时，如图 7所示，激光器位于单分量磁通门传感器下方，激光器发射出的激光光束入射到反射镜，经反射镜向上反射作用后，垂直入射到分束镜的中心线位置，经分束镜反射后，水平入射到PSD位置传感器，因此，PSD位置传感器检测到激光器发射出的激光光束方位。

3 关键技术研究结果

项目组在自动化磁通门经纬仪关键技术研究过程中，实现了无磁二维旋转机构、高精度照准机构等关键技术的突破，并成功试制了自动化磁通门经纬仪原理样机，见图 8。原理样机在河北省涉县地震台进行了测试，并获得15天以上观测数据，观测结果见表 1。

目前我国地磁台网仅对基准台配备传统人工观测DI仪，且观测周期为1周2次，每次观测1—2组，无法实现一日多组连续观测及连续多日持续观测。自动化磁通门经纬仪原理样机在涉县台实测过程中，除个别日期为避免影响台站正常观测任务停测外，基本实现多日连续观测，且每日均观测10余组，故自动化磁通门经纬仪相对于传统人工观测DI仪具有连续观测的优势。表 1中观测结果均为当日12组以上观测数据经计算所得观测精度，磁偏角D和磁倾角I的观测精度达到0.02′，相当于目前人工观测DI仪的最高水平。自动化磁通门经纬仪避免了人工观测过程中人为误差的引入，在一定程度上保证了观测精度。

同时，根据实测结果分析，认为自动化磁通门经纬仪原理样机在设计、加工、装配、调试过程中也会引入误差源，其中主要误差源为无磁二维旋转平台的加工误差、测角单元的装配误差、电气系统调试误差以及组装部件剩磁引起的误差等。在后续研究过程中，项目组将进一步提高机械加工精度，减小部件形位公差，提高部件配合精度；减小电气系统噪声，提高AD采集精度；进一步减少机械结构本体材料的剩磁干扰，对微弱磁性部件进行屏蔽处理；激光码盘和激光读数头增加保护屏蔽装置，防止外界干扰；改进激光标志的电路稳定性，提高激光标志物的抗环境光干扰能力；改进磁通门传感器的方向微调装置，在方向调整、配重布局、材料选取上进一步予以完善；增加水平旋转中框的高精度电子水准器，实现竖轴倾斜补偿功能。希望通过以上措施，达到提高自动化磁通门经纬仪测量精度、抗干扰能力及稳定性的目的。

4 结束语

项目组的研究实现了自动化磁通门经纬仪关键技术的突破，在自动化磁通门经纬仪原理样机研制过程中，实现了高精度无磁二维旋转机构的设计与加工、二维旋转机构的精确控制、激光对准方法的地磁测量应用，为地磁绝对观测自动化提供了技术支撑。在后续工作中，将不断改进自动化磁通门经纬仪原理样机存在的各种缺陷，努力推动自动化磁通门经纬仪的实用化。自动化磁通门经纬仪将突破目前人工观测DI仪在时间和空间的限制，成为地磁自动化绝对观测系统的重要组成部分，为实现我国地磁台网无人值守台站观测模式的发展提供有力保障。