探索神秘海洋磁场

我们从初中的历史课上就知道一件事——指南针是中国古代的四大发明之一。指南针的发明和传播对文明的发展产生了很大的影响，让航海时代和世界范围的交流成为可能。经过几个世纪的更迭，尽管指南针已经在海上导航和定位方面失去了重要地位，取而代之的是无线电、卫星等手段，但是，海洋磁场探测在海洋地震监测与研究、海底地质研究、海洋矿产资源勘探、海洋油线管道调查、水下磁性目标探测、水下潜器自主导航等方面仍然能够提供重要的基础资料。尤其是对微弱磁场的探测技术，是国家实现“透明海洋”战略的关键技术。

1851年，渥拉斯顿在横过英吉利海峡的海底电缆上，检测到和海水潮汐周期相同的电位变化，由此人们开始了对海洋中的电磁现象的研究。海洋中的磁场由地球磁场、潮汐电流、地球电流等共同作用形成，强度大约在30-70μT，而一个冰箱贴的磁场强度就接近1000μT，可见海洋磁场是比较微弱的。另外，海洋磁场由于受到潮汐的影响，会随着日升日落和季节更替而变化，日变值只有数十个nT。如此微弱的磁场变化，对传感器的要求十分之高。首先，这个传感器必须有足够高的磁场分辨力，才能感知到海洋磁场的变化；其次，不能受周围其他设备电磁场以及温度变化的干扰，否则将大大影响测量精度；同时，传感器必须是防水耐腐蚀的，才能在海洋环境中长期监测。

这样的需求该如何满足呢？我们想到了光纤传感器。光纤传感器，顾名思义，是利用光纤作为传光和传感的元件，光纤本身具有抗电磁干扰、绝缘、耐腐蚀等优点，能够在航空航天、资源勘探、海洋探测等领域发挥重要作用，尤其对于海洋磁场检测，能够发挥出巨大优势。那么光纤传感器如何能够感知到磁场的变化呢？想要将其应用到磁场检测，这是一个必须解决的问题。

赵勇团队多年来对基于光纤传感器的海洋磁场检测技术开展深入研究，率先提出了基于磁流体光学特性的磁场传感器技术，创造性地将磁流体与光纤技术相结合。磁流体是一种磁性胶体，由磁性粒子、表面活性剂和载液组成。赵勇团队经过系统性地研究，发现磁流体具有双折射、折射率可调和透射率可调等光学特性，也就是说，当周围磁场变化时，磁流体的折射率、透光率、双折射率等光学参数将发生变化，而这些变化将直接影响到从中传播的光信号，通过对光信号变化进行解调，成功研制出了新型的光纤磁场传感器，分辨力可达0.01nT。

这项研究开拓了光学磁场传感器的新原理，通过法布里珀罗腔、模式干涉仪等光纤结构，结合游标效应、磁流体体积效应等新效应，解决了传统磁场传感器分辨能力不足、响应时间长、易受环境温度干扰等问题。在此基础上，进一步提出了基于特种七芯光纤的海水温度、盐度、深度、磁场四参量一体化阵列式检测方案，将传感器功能进一步扩展至多参量多点位大容量光纤传感网络。

下一步，该团队计划对海洋环境多参数一体化传感器的解调算法进行研究，针对大容量传感器信息，分析研究基于多次相位补偿的高分辨力、大量程的传感器信号解调算法的可靠性和稳定性，实现海洋环境多参数传感信号的区分。