2017, Vol. 42引用本文 |
| MAG-01H地磁经纬仪在静海地磁台的比测数据分析 |  [PDF全文] |
地磁场可以反映上至太阳活动、行星际空间、磁层、电离层，下至地幔乃至地核中发生和电磁过程有关的种种物理过程。地磁场随地而异，随时而变，因此在地球表面进行地磁测量和建立永久性地磁台进行观测记录，便成为监测地球内部和广阔的外层空间环境各种活动的重要手段，并可获得地磁场时空分布变化及其丰富的地磁信息[1]。地磁观测数据是重要的地球物理基础资料之一，除用于地磁学和空间物理学等学科研究之外，在国民经济和国防建设中也有广泛的应用价值。
地磁学是一门观测科学，为了研究地球科学的一些变化规律，必须进行实地观测，取得第一手资料[2]。对于观测者而言，了解仪器结构、熟悉仪器工作性能、学习正确使用仪器的方法，对提高地磁观测精度至关重要。为了检验仪器自身的稳定性，在每年出测之前和收测之后，应到邻近地磁台对地磁经纬仪进行比测，以确定仪器差。
1 地磁经纬仪简介地磁经纬仪是精确测定地磁偏角D和地磁倾角I的仪器，可在地磁台站和野外兼用，与测量地磁总强度F的核旋仪配合，是理想的地磁矢量观测组合。地磁经纬仪由无磁经纬仪和磁通门检测系统两大部分构成。无磁经纬仪与普通经纬仪的本质区别是高度“绝磁”，确保D和I的观测结果不受磁性物质污染。磁通门检测系统是一个具有高灵敏度和高稳定性的电桥，其传感器安置在无磁经纬仪的望远镜上，经磁通门检测系统的数字表盘显示，通过无磁经纬仪的测角系统和特定观测程序组合，便可以精确测定地磁偏角D和地磁倾角I[3]。
现在国际上比较常用的地磁经纬仪有加拿大的DIM-100、英国的MAG-01H (020B、015B、010B)、匈牙利的MinGeo (010B)、中国的CTM-DI磁力仪等。
MAG-01H地磁经纬仪由英国Bartington公司生产，用于地磁台站和野外磁偏角和磁倾角的绝对测量，主要由MAGA型磁通门传感器、MAG-01H磁力仪和WILD T1绝磁经纬仪构成。
2 比测数据分析 2.1 磁偏角D的观测对于磁偏角D的观测，需要设置方位角(TA)已知的参考目标。方位角是参考目标与地理子午线之间的夹角。参考目标的方位角可通过天文、GPS、陀螺或其他测量方法获取，也可以由坐标反算或方位传递等方法获取。对参考目标测量时，水平度盘可以随意设置，首先对方位目标进行观测并记录读数(TD)，然后对磁方位进行4个零位测量并记录测量时间。具体步骤如下：
1) 照准部位于盘左位置，照准方位目标并记录水平度盘读数(CL)，纵转望远镜，旋转照准部照准方位目标，并记录水平度盘读数(CR)，然后计算方位目标度盘位置(TD)：
| ${{T}_{D}}\left( \pm 90{}^\circ \right)=({{C}_{L}}+{{C}_{R}})/2$ | (1) |
式中，TD中包含±90°分量，计算D时将会减除。
2) 垂直角设置为90°时测量ED和WD，垂直角设置为270°时测量EU和WU，其中E、W、N和S表示望远镜所指的方向，而U和D表示传感器与望远镜的相对位置，U (Up)表示传感器位于望远镜之上，D (Down)表示传感器位于望远镜之下。当望远镜指向东，且传感器位于望远镜下方时，水平度盘读数为ED，传感器位于望远镜上方时，水平度盘读数为EU。当望远镜指向西，且传感器位于望远镜下方时，水平度盘读数为WD，传感器位于望远镜上方时，水平度盘读数为WU。
3) 将望远镜水平安置，调整垂直符合水准器，然后将绝磁经纬仪转到磁力仪(显示)0位附近，旋紧水平固定螺旋，利用水平微动使磁力仪精确指0，记录该时刻，读取该0位置的水平度盘读数。通常按ED、WD、EU和WU的顺序进行4个0位磁力仪观测。
4) MM和D的计算
磁子午线平均值MM为：
| ${{M}_{M}}=({{E}_{D}}+{{W}_{D}}+{{E}_{U}}+{{W}_{U}})/4$ | (2) |
磁偏角D为：
| $D={{M}_{M}}+{{T}_{A}}-{{T}_{D}}\pm 90{}^\circ $ | (3) |
选取所期望的D值，删去相差180°的值。若D在地理子午线以东，磁偏角为正值，否则为负值[4]。
2.2 磁倾角I的观测磁倾角观测采用指零法，在磁偏角测量之后立即进行。将望远镜绕其水平轴旋转到磁力仪的零指示读数，并记下垂直度盘的读数，一个测回的磁倾角测量过程如下：
1) 盘东、探头向上，将水平度盘指向A(磁偏角测量得到的磁北方向水平度盘均值)，锁定水平度盘，绕水平轴旋转望远镜，使磁力仪输出为零，读出垂直度盘读数(V1)；
2) 倒转望远镜(望远镜绕水平轴旋转180°)，盘东、探头向下，绕水平轴旋转望远镜，使磁力仪输出为零，读出垂直度盘读数(V2)；
3) 精确地水平旋转经纬仪180°，盘西、探头向下，绕水平轴旋转望远镜，使磁力仪输出为零，读出垂直度盘读数(V3)；
4) 倒转望远镜(望远镜绕水平轴旋转180°)，盘西、探头向上，绕水平轴旋转望远镜，使磁力仪输出为零，读出垂直度盘读数(V4)；
5) 根据4个读数的平均值计算磁倾角I：
| $I=({{V}_{3}}+{{V}_{4}}-{{V}_{1}}-{{V}_{2}})/4+90{}^\circ $ | (4) |
测站选在天津市静海地磁台，该台具有长期观测的FHDZ-M15地磁综合观测系统，能够持续记录昼夜的磁力秒变化，可用于改正绝对磁力的观测结果，得到磁偏角的基线值。比测仪器在6号标准墩，标准仪器在1号标准墩，墩间磁偏角基线值墩差为
| 表 1 MAG-01H地磁经纬仪比测方案 Table 1 Comparative Measuring Scheme of MAG-01H Geomagnetism Theodolite |
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2.4 结果分析
相对记录仪日变化温度为0.02°，可以忽略温漂引起的误差，且该记录仪运行至今已有7年，基线值结果全年稳定。因而比测以基线结果作为主要参考指标，加入墩差改正后，磁偏角基线值比测结果如表 2所示，磁倾角基线值比测结果如表 3所示。
| 表 2 磁偏角基线值比测结果/(′) Table 2 Comparative Measuring Result of Declination Baseline/(′) |
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| 表 3 磁倾角基线值比测结果/(′) Table 3 Comparative Measuring Result of Inclination Baseline/(′) |
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从表 2、表 3可以看出，两台仪器在不同时间观测的磁偏角和磁倾角经过日变改正后精度均优于0.1′，说明仪器自身的内符合精度高，重复性较好；加入墩差改正后，两台仪器的磁偏角基线值互差为0.15′~0.34′，磁倾角基线值互差为0.04′~0.08′，此结果为仪器差和人差，属于正常范围，故比测仪器数据有效，仪器正常，可以进行野外测量。
3 结束语地磁测量仪器的检验、标定和校准是地磁测量中不可或缺的技术基础，许多地磁测量结果需要仪器的检验信息和标定参数来支撑，绝对观测的地磁仪器最好能进行正规的国际比较和检验，以便确保测量数据的绝对精度以及地磁基准的量值统一[5]。