退休了，科研還能怎么做？這對(duì)摯友決定繼續(xù)合作“探險(xiǎn)”
導(dǎo)讀： 本文以質(zhì)樸筆觸記錄了一段“老驥伏櫪，志在千里”的科技報(bào)國(guó)佳話。 清華大學(xué)校友壽寶奎（物理系）與陳耀松（力學(xué)系）兩位退休學(xué)者，憑借摯友情誼與專(zhuān)業(yè)互補(bǔ)，歷時(shí)三十余年科研攻堅(jiān)，成功研發(fā)低成本、高精度的航磁物探技術(shù)，其創(chuàng)新歷程堪稱(chēng)技術(shù)科學(xué)領(lǐng)域“產(chǎn)學(xué)研用”結(jié)合的生動(dòng)范本。
壽寶奎是我中學(xué)一起研究礦石機(jī)的同學(xué)。中學(xué)畢業(yè)后，他考入清華物理系，而我比他畢業(yè)早，奔赴安徽山區(qū)進(jìn)了一座小學(xué)校，學(xué)土木。后來(lái)在他鼓勵(lì)下轉(zhuǎn)學(xué)考入清華土木系。在清華，我有空就旁聽(tīng)，補(bǔ)學(xué)基礎(chǔ)數(shù)理，后轉(zhuǎn)學(xué)力學(xué)。1951年大學(xué)畢業(yè)，壽寶奎被分配到二機(jī)部物探組，經(jīng)常騎著馬到大西北找鈾。（編者注：物探，即地球物理勘探，是以巖石、礦石或地層的密度、磁性等物理性質(zhì)為基礎(chǔ)，通過(guò)探測(cè)這些物理場(chǎng)的分布和變化，分析其變化規(guī)律，來(lái)確定被探測(cè)地質(zhì)體在地下的空間范圍和物理性質(zhì)，達(dá)到尋找礦產(chǎn)資源或解決水文、工程、環(huán)境問(wèn)題等目的。）
我則在院系調(diào)整時(shí)跟著周培源先生到北大建設(shè)力學(xué)專(zhuān)業(yè)，1970年又去漢中三線建設(shè)分校，后回遷北京，負(fù)責(zé)計(jì)算流體力學(xué)方向的相關(guān)工作。課余時(shí)間，我喜歡研究力學(xué)實(shí)驗(yàn)測(cè)量計(jì)算機(jī)化，為此在實(shí)驗(yàn)室副樓屋頂上搭建閣樓用作“自留地”。自愿跟我學(xué)的學(xué)生很多，還有不少外校的年輕人“聞風(fēng)而來(lái)”（因?yàn)槲以啻螌?duì)外開(kāi)設(shè)計(jì)算技術(shù)短訓(xùn)班）。特別是在我建成互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器后，對(duì)校內(nèi)師生免費(fèi)開(kāi)放，大群“上網(wǎng)積極分子”涌入閣樓，加班“蹭網(wǎng)”。閣樓有點(diǎn)矮，但面積很大，多來(lái)些人也容得下。
壽寶奎學(xué)物理，基礎(chǔ)深厚，立足崗位工作積極研發(fā)新的物探方法，成果斐然（見(jiàn)報(bào)）。只是他年齡較大，又因野外工作者的法定退休年齡較低，改革開(kāi)放初他已到退休年齡了。好在二機(jī)部成立了開(kāi)發(fā)公司，他在公司承接德興銅礦礦區(qū)資源物探任務(wù)，繼續(xù)研發(fā)新技術(shù)，提出廉價(jià)航空磁探方案：利用小型動(dòng)力滑翔機(jī)，配上最先進(jìn)的核磁共振磁強(qiáng)探頭。當(dāng)時(shí)沒(méi)有GPS，就用錄像機(jī)定位。飛機(jī)很小，除駕駛員一人外，其他人無(wú)法上機(jī)，因?yàn)閭}(cāng)內(nèi)尚有許多儀器要放。
1987年，壽寶奎已完成全部野外飛行測(cè)量，帶著他的飛行記錄，一盒磁帶，來(lái)閣樓找我，要我?guī)兔μ幚?。?dāng)時(shí)我已轉(zhuǎn)入計(jì)算力學(xué)領(lǐng)域，正在研究力學(xué)實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)化，所以有條件用計(jì)算機(jī)幫忙。只是我學(xué)的《普通物理》不包含近代物理，不懂“核磁共振”。于是，老壽先給我科普，然后提出要我做的事。他的“物探系統(tǒng)”除探頭外，都靠普通家電拼湊，民用接口沒(méi)有難以克服的障礙。沒(méi)有GPS測(cè)點(diǎn)定位，就靠錄像機(jī)記錄，根據(jù)地標(biāo)按“時(shí)距”推算。高度用簡(jiǎn)易的雷達(dá)反射測(cè)定，回波經(jīng)常因植皮吸收而丟失，此時(shí)必須用前后數(shù)據(jù)來(lái)差補(bǔ)。原理都很簡(jiǎn)單，但是工作量極大。為此，我找學(xué)生替他設(shè)計(jì)了一個(gè)輔助修改程序，先用計(jì)算機(jī)將原始數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，發(fā)現(xiàn)有缺失就點(diǎn)一下鍵盤(pán)，計(jì)算機(jī)就會(huì)自動(dòng)將數(shù)據(jù)補(bǔ)上，用這樣一個(gè)半自動(dòng)方法幫他完成了數(shù)據(jù)“前處理”。
航測(cè)是靠“數(shù)據(jù)異?！辈诺谩鞍l(fā)現(xiàn)”，個(gè)別數(shù)據(jù)不能說(shuō)明問(wèn)題，必須將全部數(shù)據(jù)繪在一張圖上，從周?chē)臄?shù)據(jù)比較中發(fā)現(xiàn)“異?！薄鞘恰皩殹?。制圖可委托專(zhuān)業(yè)公司，但要花很多錢(qián)。我們沒(méi)有錢(qián)，只好以偽彩色將它顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上，用照相機(jī)記錄。當(dāng)時(shí)的“高分辨率彩顯”才400線，所用器材還是向外商借來(lái)的展品。
圖形雖然粗糙，但能顯示“成礦帶”了。那就是圖中左上角和右下角幾大塊的白色邊緣。以地質(zhì)專(zhuān)業(yè)的話來(lái)說(shuō)，那是“擠壓成礦帶”。德興銅礦最早開(kāi)采于宋朝，如今那些外露的礦苗早已開(kāi)采殆盡。今后向何處發(fā)展？順著“成礦帶”找。此后當(dāng)?shù)卣沾碎_(kāi)發(fā)，不但找到新的銅區(qū)，還發(fā)現(xiàn)了金、銀等稀有金屬礦。（插句題外話：當(dāng)時(shí)我們這些幫著制圖的外行覺(jué)得圖像“太亂了”，就用數(shù)字濾波將其中的“麻點(diǎn)”抹去。老壽看了連忙大叫：“這是沙金礦，要保留！”于是，我們馬上又把“沙金”找了回來(lái)）。
德興礦區(qū)圖像顯示
航磁需要?jiǎng)佑蔑w機(jī)，只有國(guó)家事業(yè)單位才有此能力。航空飛行風(fēng)險(xiǎn)本來(lái)就大，航磁事故頻發(fā)。直到有了無(wú)人駕駛飛機(jī)，人員無(wú)需上天，才免除了風(fēng)險(xiǎn)。后來(lái)我們也改用無(wú)人機(jī)。
老壽完成的航空測(cè)磁系統(tǒng)模式，能使“舊時(shí)堂前燕飛入百姓家”。
航磁探物飛機(jī)失事報(bào)道
與科學(xué)院合作的無(wú)人機(jī)實(shí)拍
1989年完成航磁技術(shù)小型化后，老壽又向我提出研制“差分式”多探頭航磁探測(cè)技術(shù)。差分信號(hào)就是用一個(gè)數(shù)值來(lái)表示兩個(gè)物理量之間的差異，特點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)、精度高。只是我們資源不足，一切都要“自制”，包括核磁共振探頭（有商品，但價(jià)格非常貴）。硬件由老壽自己做，但軟件要我解決。
這次需要攻克的主要問(wèn)題是三探頭的航磁補(bǔ)償方法，就是要消去空間測(cè)量地磁時(shí)受飛機(jī)自身產(chǎn)生的磁干擾，也就是航磁補(bǔ)償。怎么樣才能設(shè)法把它對(duì)消呢？在測(cè)磁業(yè)內(nèi)，這是一個(gè)“國(guó)際難題”。我對(duì)航磁是外行，上一次幫忙只是將老壽測(cè)得的數(shù)據(jù)做到圖像顯示，這次卻要我憑空設(shè)計(jì)一個(gè)計(jì)算航磁補(bǔ)償?shù)哪Ｐ?。好在不是?guó)家任務(wù)，與兒時(shí)和他研制礦石機(jī)一樣，成敗不受法律追究，我就答應(yīng)盡量設(shè)法完成。
“運(yùn)五”飛機(jī)加裝光泵探頭示意圖
老壽在退休前參加過(guò)單位核光泵研制，這次他就找“老關(guān)系”把當(dāng)年用剩的多余物資買(mǎi)來(lái)，獨(dú)自一人在我閣樓“拼湊”測(cè)試，前后折騰了三年，制成高標(biāo)準(zhǔn)的核磁共振磁探儀。當(dāng)時(shí)已能買(mǎi)到小規(guī)模的集成電路芯片，他就用它按“數(shù)字化”改進(jìn)電路。工作頻率亦盡量提高，使實(shí)測(cè)分辨率提高近一個(gè)量級(jí)。
測(cè)磁原本是要測(cè)定地下或水下物質(zhì)產(chǎn)生的磁力，但它不可避免地會(huì)帶入儀器自身以及周?chē)渌矬w帶來(lái)的磁力，這就需要設(shè)法進(jìn)行磁補(bǔ)償，把它抵消。原先補(bǔ)償?shù)霓k法是在探頭外布置三組相互垂直的線圈，線圈加上電，即可在探頭處產(chǎn)生磁場(chǎng)。線圈根據(jù)補(bǔ)償需要加電，這就是早年采用的航磁補(bǔ)償方案。線圈以及探頭周?chē)娘w機(jī)部件是導(dǎo)體，它們?cè)陲w機(jī)飛行時(shí)也因切割原有的磁力線，受洛倫茲力驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生渦流，強(qiáng)度與切割速度成比例。這就在渦流附近的探頭多了一份與飛行速度有關(guān)的磁干擾。
光泵磁感非常靈敏，干擾它的因素也非常多。以上只說(shuō)了與飛機(jī)姿態(tài)有關(guān)的磁干擾和與飛機(jī)飛行速度有關(guān)的（渦流）磁干擾。
如何消除這些磁干擾？以前就靠在這三組感應(yīng)線圈上加相應(yīng)的電流來(lái)“磁補(bǔ)償”。如何調(diào)整它的補(bǔ)償量，這是一個(gè)非常困難的工作。現(xiàn)在要同時(shí)調(diào)整三個(gè)探頭，幾乎不可能完成?，F(xiàn)在我們建議干脆不用線圈，而設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)學(xué)補(bǔ)償模型（公式），用計(jì)算的方法補(bǔ)償，以產(chǎn)生干擾的各因子H姿態(tài)，H航速，H**線性組合成H干擾。
用飛機(jī)帶著儀器到天上去“飛八字”（實(shí)是包含各種姿態(tài)和變換速度的飛行），實(shí)時(shí)記錄H干擾和H姿態(tài)，H航速，H**這些因子的數(shù)據(jù)。然后根據(jù)模型等式的要求，用優(yōu)化算法求得所有系數(shù)a姿態(tài)，a航速，a**…。
試飛環(huán)境和飛行姿態(tài)
1994年我們就用這一補(bǔ)償方法，借用“運(yùn)五”飛機(jī)勘測(cè)了勝利油田的草橋礦區(qū)，獲得非常好的結(jié)果。
自此以后的20余年中，我們以此多探頭數(shù)字補(bǔ)償方法作了多次航磁物探，都得到很好的結(jié)果。其中除了多探頭的“差分模式”外，對(duì)渦流的數(shù)字補(bǔ)償功不可沒(méi)。
勝利油田草橋地區(qū)航磁圖像顯示，航磁異常
為了考察這一補(bǔ)償效果，我們回放當(dāng)年用三探頭進(jìn)行飛行調(diào)試的記錄，如圖。三根曲線分別顯示三個(gè)探頭的磁強(qiáng)飛行記錄。上圖中是沒(méi)有補(bǔ)償?shù)挠涗洠逻厔t是作了補(bǔ)償后的情況。補(bǔ)償效果明顯，特別是綠色曲線，這一探頭正好落在飛機(jī)渦流感應(yīng)特大的地區(qū)，它因飛機(jī)加速而突變。而我們有此“渦流補(bǔ)償”，所以能消除。這部分的原理已在我1996屆學(xué)生龍翔的碩士論文《勝利油田草橋地區(qū)三分量航磁梯度實(shí)驗(yàn)性油氣勘探數(shù)據(jù)的處理》中詳細(xì)介紹。
渦流補(bǔ)償后的曲線
2004年，我們專(zhuān)為某用戶作飛行實(shí)測(cè)。經(jīng)過(guò)驗(yàn)收，我們研制的航次探測(cè)系統(tǒng)合格，并被立項(xiàng)采用。結(jié)果到了簽訂合同時(shí)，北大意外出局了，這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用也只能作罷。因?yàn)橛脩舴讲⑽戳私庹莆瘴覀兊募夹g(shù)，只好另行設(shè)法找別的產(chǎn)品替代（據(jù)說(shuō)是進(jìn)口國(guó)外產(chǎn)品）。
2004年為用戶進(jìn)行飛行實(shí)測(cè)的圖組
2015年4月，用戶方領(lǐng)導(dǎo)親自來(lái)北大，又說(shuō)起當(dāng)年的事：“實(shí)用并不成功”“飛機(jī)一加速，目標(biāo)就丟失”。當(dāng)時(shí)正好有朋友給我找來(lái)一份國(guó)外文獻(xiàn)，是加拿大著名物探公司PetRos EiKon在2004年發(fā)表的論文《Magnetic Compensation of Magnetic Noises Related to Aircraft’s Maneuvers in Airborne Survey》。從文獻(xiàn)看，它只有方位補(bǔ)償，而沒(méi)有渦流補(bǔ)償。數(shù)字探頭當(dāng)然不知道飛機(jī)在加速！
我們的研究沒(méi)有中斷。硬件成套，可在小型無(wú)人機(jī)戴飛。
而軟件，因信息科技的進(jìn)展又有更好的處理方法，如“盲信號(hào)處理”。我們掌握一份親自飛得的大數(shù)據(jù)，可在實(shí)驗(yàn)室隨時(shí)實(shí)測(cè)。
現(xiàn)在，硬件軟件系統(tǒng)集成，方法實(shí)測(cè)有效，是一項(xiàng)真正的“技術(shù)科學(xué)”研究成果，就只等待為我國(guó)建設(shè)服務(wù)的機(jī)會(huì)了！
作者后記：
我們開(kāi)發(fā)的航磁測(cè)量技術(shù)核心突破在于三方面：
1. 設(shè)備小型化與技術(shù)低成本化革命
壽寶奎于1980年代首創(chuàng)“動(dòng)力滑翔機(jī)+核磁共振探頭”方案，以民用設(shè)備替代專(zhuān)業(yè)航磁飛機(jī)，用錄像定位解決無(wú)GPS難題，使航磁勘探從“國(guó)家專(zhuān)營(yíng)”走向“普惠應(yīng)用”。
2. 數(shù)字補(bǔ)償模型創(chuàng)新
面對(duì)國(guó)際公認(rèn)難題“航磁干擾補(bǔ)償”，二人顛覆傳統(tǒng)的線圈物理補(bǔ)償思路，首創(chuàng)多探頭差分式數(shù)學(xué)補(bǔ)償模型（ H干擾=∑ai×Hi ），通過(guò)“飛八字”采集數(shù)據(jù)擬合系數(shù)，成功消除飛機(jī)姿態(tài)、渦流等干擾，精度超越同期加拿大技術(shù)。
3. 無(wú)人機(jī)替代實(shí)現(xiàn)安全升級(jí)
將物探系統(tǒng)移植至無(wú)人機(jī)平臺(tái)，徹底規(guī)避傳統(tǒng)航磁勘探的人員飛行風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)“無(wú)人化”“智能化”轉(zhuǎn)型。
這項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)價(jià)值遠(yuǎn)超技術(shù)本身——
實(shí)踐驗(yàn)證：1987年助力德興銅礦發(fā)現(xiàn)隱伏礦帶，1994年在勝利油田勘探中效果顯著；
學(xué)術(shù)貢獻(xiàn)：渦流補(bǔ)償?shù)仍肀粚?xiě)入北大碩士畢業(yè)論文，形成完整技術(shù)科學(xué)體系；
時(shí)代前瞻：早于國(guó)際同行十余年攻克動(dòng)態(tài)補(bǔ)償難題，卻因體制壁壘未能產(chǎn)業(yè)化，折射科技成果轉(zhuǎn)化之痛。
這段白發(fā)學(xué)人的赤子征程提醒我們：創(chuàng)新未必在廟堂，民間智慧與家國(guó)情懷的結(jié)合，亦可鑄就“國(guó)之重器”。
自研航磁探測(cè)系統(tǒng)組件
作者簡(jiǎn)介： 陳耀松，北京大學(xué)力學(xué)系教授。
