激光技术用于海洋电磁场监测

海洋存在电磁场，它主要包括海洋大地电磁场和由海水运动产生的感应电磁场。探测研究海洋电磁场可推知海底的地质构造，海洋的电磁场环境会干扰海洋通信、海洋资源探测等。

（一）海洋大地电磁场

地球电离层受太阳磁暴等电磁活动的影响产生等离子体以及太阳辐射等离子体，它们与地球磁场相互作用，将引起地球表面磁场变化，由此而产生交变电磁场，此交变电磁场将穿过海水传播到海底。海洋大地地层有本身的物理电性结构，它受入射的外来电磁场激发将发生电磁感应现象，生成海洋大地电磁场。该电磁场具有明显的空间和时间分布规律，高纬度和中纬度的电磁场强度强，而低纬度的强度弱；夏季的强，冬季的弱；白天的强，夜间的弱。频谱成分非常宽阔，频率范围为0．001～10 k Hz。由于海水具有高电导性，对高频电磁波具有强烈的吸收作用，因此海洋大地电磁场能量主要集中在0．001～10 Hz频段。在地球两极的磁场强度为（6～7）×104nT，在赤道为（3～4）×104nT，其日变值可达数十个纳特斯拉，随纬度和季节有所不同，一般在下午3点左右达到极值。季节变化为15～30 nT，年变化可达180 nT。海洋大地电场的幅值一般不超过100μV／m，磁场的幅值最高可达1 000 n T。

（二）海水感应电磁场

海洋中的各种盐类几乎完全电离，这使海洋含有大量离子而成为导体。法拉第在1832年就指出：海水在地磁场中运动，就像在磁场中运动的金属导体一样，也会产生感应电动势。1851年，渥拉斯顿在横过英吉利海峡的海底电缆时，检测到和海水潮汐周期相同的电位变化，证实了法拉第的预言。

海水的感应电场、磁场与海水流动速度有密切关系，场强正比于海水流动速度，场方向与海水流动方向有关。因为海水的运动速度是随着海洋深度变化的，所以海洋电磁场强度也是随海洋深度变化的，大约是随海水深度以指数规律衰减。

海水的运动主要有海流、海浪和内波3种形式。研究显示，海洋面波浪感应电磁场的周期与波浪的周期一致，其频率范围主要集中在0．08～0．5 Hz。当海洋面波浪运动剧烈时，海洋表面波浪运动的感应电场幅值可超过100μV／m，而磁场的幅值较小，一般低于60 n T。

海洋内波的周期长，从1 min到100 h；其波速比较慢，但振幅很大，可以超过100 m，因此，内波也可能产生可观的电磁场。理论研究显示，内波产生的电磁场非常弱，例如周期5．5 min的内波，在海洋面下100～300 m的深度范围内，产生的感应磁场强度约为1 n T。相比之下海流产生的磁场强度就比较强，量值能达100 n T。但在一些特定条件下，内波产生的电磁场强度与海浪产生的电磁场相当，而且内波产生的感应电磁场对海洋大地电磁探测有重要影响。

（三）海流感应电磁场

海流是海洋中发生的一种有相对稳定速度的非周期性流动，其宽度为10～1 000 km，深度为0．1～10 km，在一定的海洋区域内的一致性较强。海流在地磁场中的流动也会感应出电磁场，它既有水平分量也有垂直分量，感应电场的垂直分量与海流的流速和地磁场的水平分量成正比，感应电场的水平分量与海流的流速和地磁场的垂直分量成正比。

（四）海洋电磁场基本特性

海洋电磁场的基本特性包括时域特性、频域特性、相干特性、偏振特性等，分别反映了海洋电磁场不同场源的主要特征。

1．时域特性(www.zuozong.com)

图2-16是海洋电磁场的时域信号，可以看出海洋电磁场信号随机性很强，但是幅值较为稳定。从信号的周期性波动来看，5～10 s是信号的主要周期，这里包含了信号的大部分能量。

2．频域特性

图2-17是海洋的电磁场频谱。海水运动本身很复杂，包含了很宽的频率成分，周期从几年到几秒，波长从数千千米到几厘米，所以海水的感应电磁场也显示出比较宽的低频分布，并且场强是从低频到中频呈下降趋势，电磁场的主要能量集中在频谱0．001～1 Hz，50 Hz及其倍频中，它包含了大地电磁场、海流（潮汐）感应电磁场、人为因素形成电磁场和大部分海面波浪感应电磁场。在1～10 Hz频带也占有一定的比例，主要由高频波浪感应产生；在10～3 000 Hz频带所占比重最小，这部分主要来自其他的随机干扰。

图2-16　海洋电磁场的时域信号

图2-17　海洋电磁场频谱

3．相干特性

在一定的海域内有些电磁场是相干的。海洋电磁场的自相干特性要好于互相干特性，电场的相干特性要好于磁场的相关特性，这是由于海洋环境电磁场的低频信号中，电场信号的主要成分是海水运动产生的，场源比较单一，其他环境电噪声影响较小，所以具有较好的相干特性。磁场信号的成分比较复杂，特别是受到大地电磁的影响比较突出，所以海洋磁场的相干性较差。

4．偏振特性

海洋电磁场的低频分量与高频分量都有着自身偏振特性。低频电磁场中，偏振特性散点图呈椭圆状分布，电磁场偏振最强的频带为0．5～2 Hz，主要源于海水运动产生的海洋电磁场。高频段主要显示工频信号的偏振情况，并且主要表现为椭圆偏振。

（五）激光探测海洋导电率

海洋导电率是表征海洋电磁场的重要参数，已经有多种测量方法，激光测量是新方法，其一种做法是利用激光技术测量出海水的盐度，然后根据海水盐度与导电率的关系反演出导电率。利用激光雷达通过测量海水的激光拉曼散射光谱或者激光布里渊散射光谱可以获得海水盐度，而且是能够做大面积、快速、实时连续测量，具体测量原理详见本章第二节激光探测海水资源部分。