Scientific Journal of Earth Science June 2014, Volume 4, Issue 2, PP.93-97
1-D Modeling of Marine Electromagnetic Method for Detecting Underwater UXO Song Huang 1, Xinsheng Yu 1, 2, Zijin Yan 1, Zike Jiang 1 1. College of Marine Geosciences, Ocean University of China, Qingdao 266100, China 2. College of Marine Geosciences; Key Laboratory of Submarine Science and Prospecting Techniques, Ministry of Education Qingdao 266100, China #
Email: Sandyhuang9@aliyun.com
Abstract Unexploded ordnance (UXO) buried in the seafloor is a great threat to the environment and the ocean exploitation. It is important to find and locate these UXO, so that we can remove them and make a safer living environment. In this paper, we presented a 1-D electrimagnetic model to detect UXO. It is shown that when the horizontal range is about 500-1000m and frequency is around 10Hz, strong anomalous signals were observed. This result indicated that it is an effective method to detective UXO buried in the seafloor with electricmagnetic approach. The presented work provides a theoretical basis for designing the underwater UXO-detecting instrument based on electromagnetic fields. Keywords: Underwater UXO; Marine Electromagnetic Methods; 1-D Modeling
海底未爆物的电磁探测方法仿真研究* 黄颂1，于新生1，2，阎子衿1，姜子可1 1. 中国海洋大学 海洋地球科学学院，山东 青岛 266100 2. 海底科学与探测技术教育部重点实验室，山东 青岛 266100 摘
要：海底埋藏的未爆炸物对海洋开发及环境造成极大的隐患，准确识别并定位海底埋藏的未爆炸物 (Unexploded
Ordnance, UXO)对及时清除这些武器装备，改善人类生活环境具有重大意义。本文基于电场和磁场方法的一维正演模型对 海底埋藏UXO检测的可行性进行了仿真研究，仿真结果表明当发射频率在10Hz，水平偏移距500-1000米处时，其检测异 常最为明显。仿真结果证明基于电磁场方法用于水下未爆炸物识别及定位是可行的，为研制水下电磁场UXO探测装置提 供了理论依据。 关键词：海底未爆炸物；电磁场探测；一维正演模型
引言 在第二次世界大战期间，全世界海底大约布设了55万个海底地雷，据初步统计，目前世界上大约1千5百 万英里的陆地和海洋埋藏有未爆炸弹药装置(Unexploded Ordnance, UXO)，这些UXO对环境、地质工程、人 类生命安全带来巨大的隐患。[1]譬如，埋藏在海底沉积物中的未爆炸弹药装置，由于受海水的长期腐蚀，会 导致弹药化学物质泄漏，引起海底生态环境恶化；同时埋藏的UXO对海洋捕捞、海底资源探测、海底管线及 电缆的铺设等活动都造成极大的威胁。因此探测、识别定位及清除这些埋藏的UXO对人类社会发展具有重大 意义。地球物理勘探技术在UXO的探测具有较大的优势，传统的埋藏UXO探测采用高精度磁法惊醒UXO的监 测和定位[2-3]，但是在海底埋藏UXO的应用中，磁探测技术存在一些问题：（1）在一些地磁场较强的环境中 无法正常工作；（2）对一些尺寸较小的未爆炸弹药装置不敏感；（3）难以获取精确的UXO空间信息，如埋 *
基金资助：受国家 863 计划“海洋可控源水下系统装备研制和理论研究”（2012AA09A20103）。 - 93 http://www.j-es.org
藏深度等；（4）难以检测一些弱磁性未爆炸弹药装置。声纳探测方法可以探测弱磁性未爆炸弹药装置，但 是声纳探测技术存在着难以进行未爆炸弹药装置与非武器装置的区分，在复杂水下环境中造成误判，此外受 声波成像质量的影响，对小型的未爆炸弹药装置不灵敏。由于电磁感应方法可以利用电场和磁场的变化进行 评估，可以有效的提高探测精度[4-5]，因而可以克服单纯依靠磁场探测所受磁场变化的限制。 目前国内水下电磁勘探方法多数围绕着海底油气资源勘探应用 [6-8]，对海底未爆炸物的探测方面报道较 少。本文基于电磁场基本理论，开展了水下电磁法一维模型的正演研究，比较了电场分量和磁场分量对海底 低阻目标物的影响情况，通过模拟分析，讨论了不同发射频率下的海洋电磁响应结果，探讨了水下电磁探测 方法在UXO探测的可行性。
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海底UXO探测原理 未爆弹药一般采用金属外壳，其电导率与周围的沉积物会呈现出较大的差异，若未爆弹药为铁磁性材料
制成，则其磁导率也比海底地层高很多。基于埋藏于海底的未爆弹药与海底地层介质之间存在的电、磁性差 异，可以利用电场和磁场传感器检测到海底异常响应，确定目标的具体位置。根据麦克斯韦方程组，引入磁 矢量位A，得： E iB 1 E = iA (A)
(1) (2)
磁矢量位 A 可通过如下积分得到：
A(r )
1 A^ ( , Z ) J 0( r ) d 2 0
(3)
其中，J0为第一类零阶贝塞尔函数，r为水平距离[9]。 如图1所示，海底电磁探测方法采用船载拖曳方法，此种方法的优点是操作简便效率高，无需在海底布 设接收站，利用船只拖曳一距海底一定高度的拖体，在拖体的尾部安置有发射机和接收传感器。电磁波发射 源靠近海底，发送电磁信号，海底电磁信号不仅向水中传播，而且向海底和海底下方的地层中传播。在接收 站可接受到三条路径的信号：一是直达波，二是来自海底地层的反射和折射信号，三是来自水面的反射和折 射信号。在海底浅层埋藏有和未埋藏低阻未爆弹药的情况下，海底地层（及未爆弹药）受一次电磁场场激发 所产生的二次场响应是不同的。目前国际上应用最广泛的频率域可控源电磁法资料解释中，大多用MVO （Magnitude Value Offset）曲线来显示油气异常响应[10]，在探测低阻未爆弹药时，我们沿用此方法。
图 1 海底电磁探测技术示意图 - 94 http://www.j-es.org
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仿真模型 仿真正演模拟采用的一维模型如图2所示，其中图（a）是在沉积物中嵌入一低阻目标物的模型（具有磁
性），图（b）是不含低阻目标物的背景对照模型。忽略空气波的影响，假设海水层厚度为4000米，低阻层 埋藏深度为10米，厚1米。发射源为点源水平电偶极子，单位偶极矩。
(a) 含低阻目标物模型
(b) 背景模型
图 2 模型示意图
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仿真结果 由于不同层的相互作用与信号的频率密切相关，我们对不同的发射频率信号的响应进行模拟，共采用1,
10, 100, 1000, 50000 Hz 5个频率。图3显示了不同频率下Ex的响应，实线表示含有低阻目标物的模型响应，虚 线表示不含低阻层的模型响应。可以看出在10Hz时异常较为明显，在50 KHz时异常已基本不可见。
(a) 1Hz 下 Ex响应
(b) 10Hz 下 Ex响应
(c) 100Hz 下 Ex响应
(d) 1000Hz 下 Ex响应
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(e)50KHz 下响应
图 3 各频率下 Ex响应曲线
从图4中可以看，在10Hz发射频率下，电场及磁场的水平分量响应在水平偏移距为0.7km均有明显异常。 Ex与By异常响应最为强烈，最大相差2个数量级左右，Ey与Bx较弱，Ez与Bz异常最弱。
(a) 10Hz 下 Ex 响应
(b) 10Hz 下 Ey响应
(c) 10Hz 下 Bx响应
(d) 10Hz 下 By 响应
(e) 10Hz 下 Bz响应
(f) 10Hz 下 Ez响应
图 4 10Hz下各分量响应曲线 - 96 http://www.j-es.org
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结论 本文利用一维正演模型对海底沉积物中的低阻未爆炸物进行了分析，仿真结果表明低阻层会对电磁场响
应造成明显异常，在本文所提出的模型参数下，发射频率在10Hz左右时，水平偏移距达到500-1000米处异常 最明显，验证了利用电磁探测方法对未爆弹药的可行性，对基于海底电磁法的未爆炸物勘探装置的设计提供 了理论依据。今后将开展噪声影响的仿真工作，并建立两维模型仿真，结合实验装置进行验证。
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【作者简介】 1
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磁探测方法研究。
息处理。Email: xsyu@ouc.edu.cn
Email: Sandyhuang9@aliyun.com
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黄颂（1988-），男，汉，硕士，海洋电
于新生（1960-），男，汉，博士，教授，水下观测技术与信
阎子衿（1987-），男，汉，硕士。
4
姜子可（1987-），男，汉，硕士。
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