导读：

本文以质朴笔触记录了一段“老骥伏枥，志在千里”的科技报国佳话。

清华大学校友寿宝奎（物理系）与陈耀松（力学系）两位退休学者，凭借挚友情谊与专业互补，历时三十余年科研攻坚，成功研发低成本、高精度的航磁物探技术，其创新历程堪称技术科学领域“产学研用”结合的生动范本。

陈耀松｜撰文

寿宝奎是我中学一起研究矿石机的同学。中学毕业后，他考入清华物理系，而我比他毕业早，奔赴安徽山区进了一座小学校，学土木。后来在他鼓励下转学考入清华土木系。在清华，我有空就旁听，补学基础数理，后转学力学。1951年大学毕业，寿宝奎被分配到二机部物探组，经常骑着马到大西北找铀。（编者注：物探，即地球物理勘探，是以岩石、矿石或地层的密度、磁性等物理性质为基础，通过探测这些物理场的分布和变化，分析其变化规律，来确定被探测地质体在地下的空间范围和物理性质，达到寻找矿产资源或解决水文、工程、环境问题等目的。）

我则在院系调整时跟着周培源先生到北大建设力学专业，1970年又去汉中三线建设分校，后回迁北京，负责计算流体力学方向的相关工作。课余时间，我喜欢研究力学实验测量计算机化，为此在实验室副楼屋顶上搭建阁楼用作“自留地”。自愿跟我学的学生很多，还有不少外校的年轻人“闻风而来”（因为我曾多次对外开设计算技术短训班）。特别是在我建成互联网服务器后，对校内师生免费开放，大群“上网积极分子”涌入阁楼，加班“蹭网”。阁楼有点矮，但面积很大，多来些人也容得下。

寿宝奎学物理，基础深厚，立足岗位工作积极研发新的物探方法，成果斐然（见报）。只是他年龄较大，又因野外工作者的法定退休年龄较低，改革开放初他已到退休年龄了。好在二机部成立了开发公司，他在公司承接德兴铜矿矿区资源物探任务，继续研发新技术，提出廉价航空磁探方案：利用小型动力滑翔机，配上最先进的核磁共振磁强探头。当时没有GPS，就用录像机定位。飞机很小，除驾驶员一人外，其他人无法上机，因为仓内尚有许多仪器要放。

采用的小型动力滑翔机

1987年，寿宝奎已完成全部野外飞行测量，带着他的飞行记录，一盒磁带，来阁楼找我，要我帮忙处理。当时我已转入计算力学领域，正在研究力学实验的计算机化，所以有条件用计算机帮忙。只是我学的《普通物理》不包含近代物理，不懂“核磁共振”。于是，老寿先给我科普，然后提出要我做的事。他的“物探系统”除探头外，都靠普通家电拼凑，民用接口没有难以克服的障碍。没有GPS测点定位，就靠录像机记录，根据地标按“时距”推算。高度用简易的雷达反射测定，回波经常因植皮吸收而丢失，此时必须用前后数据来差补。原理都很简单，但是工作量极大。为此，我找学生替他设计了一个辅助修改程序，先用计算机将原始数据显示在屏幕上，发现有缺失就点一下键盘，计算机就会自动将数据补上，用这样一个半自动方法帮他完成了数据“前处理”。

航测是靠“数据异常”才得“发现”，个别数据不能说明问题，必须将全部数据绘在一张图上，从周围的数据比较中发现“异常”——那是“宝”。制图可委托专业公司，但要花很多钱。我们没有钱，只好以伪彩色将它显示在计算机屏幕上，用照相机记录。当时的“高分辨率彩显”才400线，所用器材还是向外商借来的展品。

图形虽然粗糙，但能显示“成矿带”了。那就是图中左上角和右下角几大块的白色边缘。以地质专业的话来说，那是“挤压成矿带”。德兴铜矿最早开采于宋朝，如今那些外露的矿苗早已开采殆尽。今后向何处发展？顺着“成矿带”找。此后当地照此开发，不但找到新的铜区，还发现了金、银等稀有金属矿。（插句题外话：当时我们这些帮着制图的外行觉得图像“太乱了”，就用数字滤波将其中的“麻点”抹去。老寿看了连忙大叫：“这是沙金矿，要保留！”于是，我们马上又把“沙金”找了回来）。

德兴矿区图像显示

航磁需要动用飞机，只有国家事业单位才有此能力。航空飞行风险本来就大，航磁事故频发。直到有了无人驾驶飞机，人员无需上天，才免除了风险。后来我们也改用无人机。

老寿完成的航空测磁系统模式，能使“旧时堂前燕飞入百姓家”。

航磁探物飞机失事报道

与科学院合作的无人机实拍

1989年完成航磁技术小型化后，老寿又向我提出研制“差分式”多探头航磁探测技术。差分信号就是用一个数值来表示两个物理量之间的差异，特点是抗干扰能力强、精度高。只是我们资源不足，一切都要“自制”，包括核磁共振探头（有商品，但价格非常贵）。硬件由老寿自己做，但软件要我解决。

这次需要攻克的主要问题是三探头的航磁补偿方法，就是要消去空间测量地磁时受飞机自身产生的磁干扰，也就是航磁补偿。怎么样才能设法把它对消呢？在测磁业内，这是一个“国际难题”。我对航磁是外行，上一次帮忙只是将老寿测得的数据做到图像显示，这次却要我凭空设计一个计算航磁补偿的模型。好在不是国家任务，与儿时和他研制矿石机一样，成败不受法律追究，我就答应尽量设法完成。

“运五”飞机加装光泵探头示意图

老寿在退休前参加过单位核光泵研制，这次他就找“老关系”把当年用剩的多余物资买来，独自一人在我阁楼“拼凑”测试，前后折腾了三年，制成高标准的核磁共振磁探仪。当时已能买到小规模的集成电路芯片，他就用它按“数字化”改进电路。工作频率亦尽量提高，使实测分辨率提高近一个量级。

测磁原本是要测定地下或水下物质产生的磁力，但它不可避免地会带入仪器自身以及周围其他物体带来的磁力，这就需要设法进行磁补偿，把它抵消。原先补偿的办法是在探头外布置三组相互垂直的线圈，线圈加上电，即可在探头处产生磁场。线圈根据补偿需要加电，这就是早年采用的航磁补偿方案。线圈以及探头周围的飞机部件是导体，它们在飞机飞行时也因切割原有的磁力线，受洛伦兹力驱动产生涡流，强度与切割速度成比例。这就在涡流附近的探头多了一份与飞行速度有关的磁干扰。

光泵磁感非常灵敏，干扰它的因素也非常多。以上只说了与飞机姿态有关的磁干扰和与飞机飞行速度有关的（涡流）磁干扰。

如何消除这些磁干扰？以前就靠在这三组感应线圈上加相应的电流来“磁补偿”。如何调整它的补偿量，这是一个非常困难的工作。现在要同时调整三个探头，几乎不可能完成。现在我们建议干脆不用线圈，而设计一个数学补偿模型（公式），用计算的方法补偿，以产生干扰的各因子H姿态，H航速，H**线性组合成H干扰。

用飞机带着仪器到天上去“飞八字”（实是包含各种姿态和变换速度的飞行），实时记录H干扰和H姿态，H航速，H**这些因子的数据。然后根据模型等式的要求，用优化算法求得所有系数a姿态，a航速，a**…。

试飞环境和飞行姿态

1994年我们就用这一补偿方法，借用“运五”飞机勘测了胜利油田的草桥矿区，获得非常好的结果。

自此以后的20余年中，我们以此多探头数字补偿方法作了多次航磁物探，都得到很好的结果。其中除了多探头的“差分模式”外，对涡流的数字补偿功不可没。

胜利油田草桥地区航磁图像显示，航磁异常

为了考察这一补偿效果，我们回放当年用三探头进行飞行调试的记录，如图。三根曲线分别显示三个探头的磁强飞行记录。上图中是没有补偿的记录，下边则是作了补偿后的情况。补偿效果明显，特别是绿色曲线，这一探头正好落在飞机涡流感应特大的地区，它因飞机加速而突变。而我们有此“涡流补偿”，所以能消除。这部分的原理已在我1996届学生龙翔的硕士论文《胜利油田草桥地区三分量航磁梯度实验性油气勘探数据的处理》中详细介绍。

涡流补偿后的曲线

2004年，我们专为某用户作飞行实测。经过验收，我们研制的航次探测系统合格，并被立项采用。结果到了签订合同时，北大意外出局了，这项技术的应用也只能作罢。因为用户方并未了解掌握我们的技术，只好另行设法找别的产品替代（据说是进口国外产品）。

2004年为用户进行飞行实测的图组

2015年4月，用户方领导亲自来北大，又说起当年的事：“实用并不成功”“飞机一加速，目标就丢失”。当时正好有朋友给我找来一份国外文献，是加拿大著名物探公司PetRos EiKon在2004年发表的论文《Magnetic Compensation of Magnetic Noises Related to Aircraft’s Maneuvers in Airborne Survey》。从文献看，它只有方位补偿，而没有涡流补偿。数字探头当然不知道飞机在加速！

我们的研究没有中断。硬件成套，可在小型无人机戴飞。

而软件，因信息科技的进展又有更好的处理方法，如“盲信号处理”。我们掌握一份亲自飞得的大数据，可在实验室随时实测。

现在，硬件软件系统集成，方法实测有效，是一项真正的“技术科学”研究成果，就只等待为我国建设服务的机会了！

作者后记：

我们开发的航磁测量技术核心突破在于三方面：

1. 设备小型化与技术低成本化革命

寿宝奎于1980年代首创“动力滑翔机+核磁共振探头”方案，以民用设备替代专业航磁飞机，用录像定位解决无GPS难题，使航磁勘探从“国家专营”走向“普惠应用”。

2. 数字补偿模型创新

面对国际公认难题“航磁干扰补偿”，二人颠覆传统的线圈物理补偿思路，首创多探头差分式数学补偿模型（ H干扰=∑ai×Hi ），通过“飞八字”采集数据拟合系数，成功消除飞机姿态、涡流等干扰，精度超越同期加拿大技术。

3. 无人机替代实现安全升级

将物探系统移植至无人机平台，彻底规避传统航磁勘探的人员飞行风险，实现“无人化”“智能化”转型。

这项技术的研发价值远超技术本身——

实践验证：1987年助力德兴铜矿发现隐伏矿带，1994年在胜利油田勘探中效果显著；

学术贡献：涡流补偿等原理被写入北大硕士毕业论文，形成完整技术科学体系；

时代前瞻：早于国际同行十余年攻克动态补偿难题，却因体制壁垒未能产业化，折射科技成果转化之痛。

这段白发学人的赤子征程提醒我们：创新未必在庙堂，民间智慧与家国情怀的结合，亦可铸就“国之重器”。

自研航磁探测系统组件

专家对自研航磁探测系统的项目验收意见和评价

作者简介：

陈耀松，北京大学力学系教授。