在國家“海洋強(qiáng)國”戰(zhàn)略和“一帶一路”倡議下，作為廣大海洋科技工作者中的一員，時代賦予我們認(rèn)識海洋、開發(fā)海洋、利用海洋的義務(wù)與責(zé)任。海洋中的低頻電磁場攜帶了關(guān)于海洋本身及其中目標(biāo)的信息，是極其重要的信息載體。基于物理學(xué)中的電磁學(xué)原理去研究海洋本身及海底以下的深部結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于物理海洋（海洋電磁環(huán)境、運(yùn)動海水特征、海嘯預(yù)警等）和海洋地質(zhì)地球物理（油氣勘探，水合物調(diào)查，多金屬硫化物、地下水探測等資源勘查，洋脊、陸架、海底火山等構(gòu)造地質(zhì)）學(xué)科研究。海洋中的艦艇等目標(biāo)也會產(chǎn)生電磁場，作為艦艇的一種重要水下物理場，也越來越廣泛地應(yīng)用于水雷引信、目標(biāo)入侵防御警戒、航空探測等軍事領(lǐng)域。了解和掌握海洋中的電磁場，駕馭和應(yīng)用好海洋中的電磁場，對于推動海洋科技創(chuàng)新、維護(hù)國家海洋權(quán)益、提升海洋安全保障能力、深化海底資源開發(fā)具有重要的現(xiàn)實意義。
一般認(rèn)為良導(dǎo)體的海水對電磁波衰減作用劇烈，在海洋環(huán)境下研究電磁方法不具備可行性，傳統(tǒng)的海洋探測應(yīng)用技術(shù)以水聲（地震）方法為主。實際工作中發(fā)現(xiàn)海洋地震勘探在海底火山巖覆蓋區(qū)、碳酸鹽巖、珊瑚礁、泥底辟等分布區(qū)十分困難，同時聲波速度對高油氣飽和度變化不敏感；在檢測超低噪聲水下目標(biāo)時，聲吶技術(shù)作用距離變得有限。相比之下，利用導(dǎo)電性參數(shù)識別海底以下介質(zhì)電性結(jié)構(gòu)，電磁法卻能得到很好的探測結(jié)果；利用水下目標(biāo)的電磁特征信號，在目標(biāo)檢測領(lǐng)域發(fā)揮著獨(dú)特的優(yōu)勢。近年來，在海底資源勘查和水下目標(biāo)檢測的需求引導(dǎo)下，在材料技術(shù)、傳感器技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)的推動下，海洋電磁法在地質(zhì)地球物理、軍事國防和物理海洋等領(lǐng)域取得顯著成果，逐漸引起了業(yè)界關(guān)注。
越來越多的科技工作者應(yīng)用海洋中的電磁場來解決實際工程問題，然而在工作過程中缺少一本系統(tǒng)闡述這方面理論基礎(chǔ)和方法基礎(chǔ)的參考資料，影響了海洋電磁場技術(shù)方法在有關(guān)工程技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。與國內(nèi)外已出版的同類書籍相比，本書試圖給讀者建立一個從理論基礎(chǔ)、儀器基礎(chǔ)到方法基礎(chǔ)的整體概念框架，讓讀者對該領(lǐng)域有一個較為全面的理解和掌握，便于根據(jù)自己的專業(yè)選擇合適的切入點(diǎn)和技術(shù)路徑，從而能夠較快地提升有關(guān)專業(yè)人員海洋電磁場技術(shù)的應(yīng)用水平。
本書面向海洋科技創(chuàng)新需求，基于海洋電磁場基本方法原理，結(jié)合在海洋電磁技術(shù)方法上多年的研究成果，同時引入國外同行最新成果，是多年從事海洋電磁傳感器和測試系統(tǒng)的開發(fā)、海洋電磁場的傳播與測量、水下目標(biāo)探測等多個研究項目的技術(shù)總結(jié)和經(jīng)驗思考。在推廣海洋電磁方法技術(shù)成果的同時，本書也指出了海洋電磁方法技術(shù)的先天不足和現(xiàn)有技術(shù)狀態(tài)的提升空間。
本書由呂俊軍提出編寫思路并組織編寫，是水下測控技術(shù)國防科技重點(diǎn)實驗室團(tuán)隊和中國地質(zhì)大學(xué)（北京）地質(zhì)過程與礦產(chǎn)資源國家重點(diǎn)實驗室團(tuán)隊在海洋電磁場研究領(lǐng)域多年成果的總結(jié)和提煉。具體分工如下： 第1章由呂俊軍完成，第2章和第3章由岳瑞永、吳云超完成，第4章由陳凱、呂俊軍完成，第5章和第7章由陳凱完成，第6章和第8章由蘇建業(yè)、呂俊軍完成，第9章由閆祎完成。特別感謝白春志為本書提供了大量俄語文獻(xiàn)資料，感謝魏文博、鄧明、景建恩、王猛、朱萬華、閆彬、朱忠民提供的技術(shù)參考資料，也感謝邵軍、崔培、趙哲、姜楷娜協(xié)助校正與整理本書部分章節(jié)。本書在撰寫過程中得到了中國船舶重工集團(tuán)公司第七六〇研究所在人力、物力上的大力支持。中國船舶重工集團(tuán)公司第七〇四研究所編輯標(biāo)情室田立群副主任為本書的出版給予了積極的指導(dǎo)和幫助。作者在撰寫過程中參考或引用了國內(nèi)外一些專家學(xué)者的論著，在此一并表示感謝。
由于作者水平所限，書中發(fā)生疏漏和錯誤之處在所難免，歡迎讀者批評指正。
作者
2020年5月
第1章緒論1
1.1海洋電磁場研究發(fā)展歷程3
1.2海洋電磁場頻段范圍4
1.3海洋電磁場一般性質(zhì)6
1.3.1似穩(wěn)態(tài)近似表征6
1.3.2分布與傳播特性7
1.3.3衰減特性8
1.3.4電性源與磁性源9
1.4主要環(huán)境參量9
1.4.1海水磁導(dǎo)率10
1.4.2海水介電常數(shù)10
1.4.3海水電導(dǎo)率10
1.4.4地磁場12
1.4.5海洋生物14
1.4.6海水與海床分層14
1.5海洋環(huán)境電磁場15
1.5.1天然電磁場15
1.5.2人工電磁場17
1.5.3海洋環(huán)境電磁場基本特性18
1.5.4海洋環(huán)境電磁場典型示例21
1.6海洋電磁場應(yīng)用28
1.6.1物理海洋科學(xué)研究29
1.6.2海洋地質(zhì)地球物理29
1.6.3軍事國防29
參考文獻(xiàn)30
第2章海洋中電磁場的傳播31
2.1電磁場在分層傳導(dǎo)介質(zhì)中的基本方程33
2.1.1基本方程33
2.1.2電偶極子的電磁場35
2.1.3磁偶極子的電磁場37
2.2電磁波在海洋介質(zhì)中的傳播40
2.2.1深海自由場傳播40
2.2.2淺海多路徑傳播49
2.2.3仿真算例61
2.3水下電磁場在淺海環(huán)境中的傳播規(guī)律和衰減特性66
2.3.1淺海環(huán)境下的多路徑傳播66
2.3.2多路徑各分量衰減特性69
參考文獻(xiàn)74
第3章界面對海洋電磁場傳播的影響77
3.1界面影響物理機(jī)制79
3.2界面影響理論分析80
3.3界面影響數(shù)值仿真81
3.3.1空氣海水界面影響82
3.3.2海水海床界面影響86
3.4界面影響試驗驗證89
3.4.1試驗過程89
3.4.2驗證結(jié)論90
3.5界面影響的修正92
3.5.1海床電導(dǎo)率的影響92
3.5.2基于海床電導(dǎo)率反演的界面修正方法92
3.5.3基于等效系數(shù)的界面影響修正方法98
3.6界面影響修正方法誤差分析100
3.6.1界面影響修正試驗驗證方法100
3.6.2修正誤差計算101
參考文獻(xiàn)103
第4章海洋電磁傳感器105
4.1海洋電磁傳感器指標(biāo)技術(shù)體系107
4.1.1電場傳感器指標(biāo)體系107
4.1.2磁場傳感器指標(biāo)體系114
4.2海洋電場傳感器117
4.2.1Ag／AgCl電極117
4.2.2其他類型電極122
4.2.3水下電場傳感器的結(jié)構(gòu)125
4.3海洋磁場傳感器128
4.3.1磁場傳感器的主要類型128
4.3.2感應(yīng)式磁場傳感器129
4.3.3磁通門傳感器136
參考文獻(xiàn)144
第5章海洋電磁法在地球物理勘探中的應(yīng)用147
5.1應(yīng)用簡介149
5.2海底大地電磁測深法151
5.2.1方法簡介151
5.2.2方法原理151
5.2.3應(yīng)用案例157
5.3海洋可控源電磁法164
5.3.1方法簡介164
5.3.2方法原理164
5.3.3應(yīng)用案例171
5.4海底自然電位法179
5.4.1方法簡介179
5.4.2方法原理180
5.4.3應(yīng)用案例182
5.5海底直流電阻率法188
5.5.1方法簡介188
5.5.2方法原理188
5.5.3應(yīng)用案例189
5.6海洋多通道瞬變電磁法192
5.6.1方法簡介192
5.6.2海上數(shù)據(jù)采集192
5.6.3應(yīng)用案例193
5.7海底瞬變電磁法195
5.7.1方法簡介195
5.7.2方法原理196
5.7.3應(yīng)用案例197
參考文獻(xiàn)201
第6章目標(biāo)海洋電磁場在軍事中的應(yīng)用205
6.1水中目標(biāo)電磁場的概念207
6.1.1水中目標(biāo)電磁場的定義207
6.1.2水中目標(biāo)電磁場的分類207
6.2水中目標(biāo)電磁場的產(chǎn)生208
6.2.1靜電場208
6.2.2靜磁場211
6.2.3交變電磁場213
6.3水中目標(biāo)電磁場特性214
6.3.1電磁場源的數(shù)學(xué)表征模型214
6.3.2基本特性219
6.4水中目標(biāo)電磁場的模擬225
6.4.1模擬方法225
6.4.2相似準(zhǔn)則227
6.5海床基水下電磁場探測229
6.5.1回線式探測裝置229
6.5.2基于傳感器陣列的電磁柵欄231
6.5.3水下電磁探測網(wǎng)絡(luò)232
6.6水下電磁場浮標(biāo)233
6.6.1應(yīng)用場景233
6.6.2基本組成233
6.6.3工作原理235
6.7航空磁異常探測235
6.7.1多平臺組網(wǎng)探測236
6.7.2低頻電磁場探測236
6.8綜合物理場引信236
6.9海戰(zhàn)場電磁環(huán)境237
參考文獻(xiàn)237
第7章海洋電磁法儀器239
7.1海底電磁接收機(jī)241
7.1.1簡介241
7.1.2斬波放大器242
7.1.3采集電路245
7.1.4姿態(tài)測量模塊246
7.1.5釋放回收系統(tǒng)246
7.1.6高可靠性設(shè)計247
7.1.7主要技術(shù)指標(biāo)247
7.2拖曳電磁發(fā)射機(jī)248
7.2.1簡介248
7.2.2甲板監(jiān)控單元249
7.2.3控制單元251
7.2.4發(fā)射天線253
7.2.5主要技術(shù)指標(biāo)254
7.3拖曳電磁接收機(jī)255
7.3.1簡介255
7.3.2甲板終端256
7.3.3主節(jié)點(diǎn)257
7.3.4從節(jié)點(diǎn)258
7.3.5主要技術(shù)指標(biāo)259
參考文獻(xiàn)260
第8章艦船水下電磁場的測量263
8.1艦船物理場性能測量體系265
8.1.1環(huán)境背景干擾場特性266
8.1.2艦船物理場特性267
8.1.3艦船物理場的應(yīng)用與危害269
8.1.4測量傳感器271
8.1.5艦船測量條件與環(huán)境272
8.1.6測量系統(tǒng)設(shè)計272
8.1.7測量參數(shù)的規(guī)范化274
8.1.8測量數(shù)據(jù)的處理275
8.2海洋環(huán)境電磁場276
8.2.1地磁場的異變特性276
8.2.2海浪磁場特性278
8.2.3靜電場環(huán)境背景的干擾特性280
8.2.4低頻電磁場環(huán)境背景的干擾特性280
8.2.5背景場的抵消281
8.3測量傳感器284
8.3.1磁場傳感器284
8.3.2電場傳感器284
8.4測量條件與環(huán)境286
8.4.1測量環(huán)境要求286
8.4.2測量船要求286
8.4.3被測船要求287
8.5水下電磁場測量系統(tǒng)287
8.5.1測量方式287
8.5.2水下電磁場測量系統(tǒng)組成292
8.6電磁場測量參數(shù)的規(guī)范化295
8.7測量系統(tǒng)校準(zhǔn)296
8.7.1殼體引起的電場畸變297
8.7.2水下測量體系數(shù)校準(zhǔn)297
8.7.3海上動態(tài)校準(zhǔn)298
8.8系統(tǒng)測量誤差分析301
8.8.1系統(tǒng)測量誤差302
8.8.2定位誤差303
8.8.3深度偏差303
8.8.4正橫偏差304
8.8.5水下傳感器姿態(tài)引起的誤差304
8.8.6降低誤差的方法305
參考文獻(xiàn)305
第9章海洋電磁場應(yīng)用展望307
9.1海洋電磁傳感器的進(jìn)展309
9.2海洋電磁場的拓展應(yīng)用310
9.2.1水下通信310
9.2.2目標(biāo)跟蹤定位310
9.2.3海洋地震海嘯預(yù)報311
9.2.4海洋污染監(jiān)測311
9.2.5船舶腐蝕監(jiān)測311
9.2.6陸地油、水勘探312
參考文獻(xiàn)312
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