退休了，科研還能怎么做？這對摯友決定繼續(xù)合作“探險”
導(dǎo)讀： 本文以質(zhì)樸筆觸記錄了一段“老驥伏櫪，志在千里”的科技報國佳話。 清華大學校友壽寶奎（物理系）與陳耀松（力學系）兩位退休學者，憑借摯友情誼與專業(yè)互補，歷時三十余年科研攻堅，成功研發(fā)低成本、高精度的航磁物探技術(shù)，其創(chuàng)新歷程堪稱技術(shù)科學領(lǐng)域“產(chǎn)學研用”結(jié)合的生動范本。
壽寶奎是我中學一起研究礦石機的同學。中學畢業(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)進了一座小學校，學土木。后來在他鼓勵下轉(zhuǎn)學考入清華土木系。在清華，我有空就旁聽，補學基礎(chǔ)數(shù)理，后轉(zhuǎn)學力學。1951年大學畢業(yè)，壽寶奎被分配到二機部物探組，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)，通過探測這些物理場的分布和變化，分析其變化規(guī)律，來確定被探測地質(zhì)體在地下的空間范圍和物理性質(zhì)，達到尋找礦產(chǎn)資源或解決水文、工程、環(huán)境問題等目的。）
我則在院系調(diào)整時跟著周培源先生到北大建設(shè)力學專業(yè)，1970年又去漢中三線建設(shè)分校，后回遷北京，負責計算流體力學方向的相關(guān)工作。課余時間，我喜歡研究力學實驗測量計算機化，為此在實驗室副樓屋頂上搭建閣樓用作“自留地”。自愿跟我學的學生很多，還有不少外校的年輕人“聞風而來”（因為我曾多次對外開設(shè)計算技術(shù)短訓(xùn)班）。特別是在我建成互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器后，對校內(nèi)師生免費開放，大群“上網(wǎng)積極分子”涌入閣樓，加班“蹭網(wǎng)”。閣樓有點矮，但面積很大，多來些人也容得下。
壽寶奎學物理，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（見報）。只是他年齡較大，又因野外工作者的法定退休年齡較低，改革開放初他已到退休年齡了。好在二機部成立了開發(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)，提出廉價航空磁探方案：利用小型動力滑翔機，配上最先進的核磁共振磁強探頭。當時沒有GPS，就用錄像機定位。飛機很小，除駕駛員一人外，其他人無法上機，因為倉內(nèi)尚有許多儀器要放。
1987年，壽寶奎已完成全部野外飛行測量，帶著他的飛行記錄，一盒磁帶，來閣樓找我，要我?guī)兔μ幚?。當時我已轉(zhuǎn)入計算力學領(lǐng)域，正在研究力學實驗的計算機化，所以有條件用計算機幫忙。只是我學的《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，民用接口沒有難以克服的障礙。沒有GPS測點定位，就靠錄像機記錄，根據(jù)地標按“時距”推算。高度用簡易的雷達反射測定，回波經(jīng)常因植皮吸收而丟失，此時必須用前后數(shù)據(jù)來差補。原理都很簡單，但是工作量極大。為此，我找學生替他設(shè)計了一個輔助修改程序，先用計算機將原始數(shù)據(jù)顯示在屏幕上，發(fā)現(xiàn)有缺失就點一下鍵盤，計算機就會自動將數(shù)據(jù)補上，用這樣一個半自動方法幫他完成了數(shù)據(jù)“前處理”。
航測是靠“數(shù)據(jù)異常”才得“發(fā)現(xiàn)”，個別數(shù)據(jù)不能說明問題，必須將全部數(shù)據(jù)繪在一張圖上，從周圍的數(shù)據(jù)比較中發(fā)現(xiàn)“異?！薄鞘恰皩殹?。制圖可委托專業(yè)公司，但要花很多錢。我們沒有錢，只好以偽彩色將它顯示在計算機屏幕上，用照相機記錄。當時的“高分辨率彩顯”才400線，所用器材還是向外商借來的展品。
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)專業(yè)的話來說，那是“擠壓成礦帶”。德興銅礦最早開采于宋朝，如今那些外露的礦苗早已開采殆盡。今后向何處發(fā)展？順著“成礦帶”找。此后當?shù)卣沾碎_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：當時我們這些幫著制圖的外行覺得圖像“太亂了”，就用數(shù)字濾波將其中的“麻點”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）。
德興礦區(qū)圖像顯示
航磁需要動用飛機，只有國家事業(yè)單位才有此能力。航空飛行風險本來就大，航磁事故頻發(fā)。直到有了無人駕駛飛機，人員無需上天，才免除了風險。后來我們也改用無人機。
老壽完成的航空測磁系統(tǒng)模式，能使“舊時堂前燕飛入百姓家”。
航磁探物飛機失事報道
與科學院合作的無人機實拍
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”多探頭航磁探測技術(shù)。差分信號就是用一個數(shù)值來表示兩個物理量之間的差異，特點是抗干擾能力強、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題是三探頭的航磁補償方法，就是要消去空間測量地磁時受飛機自身產(chǎn)生的磁干擾，也就是航磁補償。怎么樣才能設(shè)法把它對消呢？在測磁業(yè)內(nèi)，這是一個“國際難題”。我對航磁是外行，上一次幫忙只是將老壽測得的數(shù)據(jù)做到圖像顯示，這次卻要我憑空設(shè)計一個計算航磁補償?shù)哪Ｐ汀：迷诓皇菄胰蝿?wù)，與兒時和他研制礦石機一樣，成敗不受法律追究，我就答應(yīng)盡量設(shè)法完成。
“運五”飛機加裝光泵探頭示意圖
老壽在退休前參加過單位核光泵研制，這次他就找“老關(guān)系”把當年用剩的多余物資買來，獨自一人在我閣樓“拼湊”測試，前后折騰了三年，制成高標準的核磁共振磁探儀。當時已能買到小規(guī)模的集成電路芯片，他就用它按“數(shù)字化”改進電路。工作頻率亦盡量提高，使實測分辨率提高近一個量級。
測磁原本是要測定地下或水下物質(zhì)產(chǎn)生的磁力，但它不可避免地會帶入儀器自身以及周圍其他物體帶來的磁力，這就需要設(shè)法進行磁補償，把它抵消。原先補償?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。線圈根據(jù)補償需要加電，這就是早年采用的航磁補償方案。線圈以及探頭周圍的飛機部件是導(dǎo)體，它們在飛機飛行時也因切割原有的磁力線，受洛倫茲力驅(qū)動產(chǎn)生渦流，強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。以上只說了與飛機姿態(tài)有關(guān)的磁干擾和與飛機飛行速度有關(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“磁補償”。如何調(diào)整它的補償量，這是一個非常困難的工作。現(xiàn)在要同時調(diào)整三個探頭，幾乎不可能完成?，F(xiàn)在我們建議干脆不用線圈，而設(shè)計一個數(shù)學補償模型（公式），用計算的方法補償，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。
用飛機帶著儀器到天上去“飛八字”（實是包含各種姿態(tài)和變換速度的飛行），實時記錄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年我們就用這一補償方法，借用“運五”飛機勘測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，對渦流的數(shù)字補償功不可沒。
勝利油田草橋地區(qū)航磁圖像顯示，航磁異常
為了考察這一補償效果，我們回放當年用三探頭進行飛行調(diào)試的記錄，如圖。三根曲線分別顯示三個探頭的磁強飛行記錄。上圖中是沒有補償?shù)挠涗?，下邊則是作了補償后的情況。補償效果明顯，特別是綠色曲線，這一探頭正好落在飛機渦流感應(yīng)特大的地區(qū)，它因飛機加速而突變。而我們有此“渦流補償”，所以能消除。這部分的原理已在我1996屆學生龍翔的碩士論文《勝利油田草橋地區(qū)三分量航磁梯度實驗性油氣勘探數(shù)據(jù)的處理》中詳細介紹。
渦流補償后的曲線
2004年，我們專為某用戶作飛行實測。經(jīng)過驗收，我們研制的航次探測系統(tǒng)合格，并被立項采用。結(jié)果到了簽訂合同時，北大意外出局了，這項技術(shù)的應(yīng)用也只能作罷。因為用戶方并未了解掌握我們的技術(shù)，只好另行設(shè)法找別的產(chǎn)品替代（據(jù)說是進口國外產(chǎn)品）。
2004年為用戶進行飛行實測的圖組
2015年4月，用戶方領(lǐng)導(dǎo)親自來北大，又說起當年的事：“實用并不成功”“飛機一加速，目標就丟失”。當時正好有朋友給我找來一份國外文獻，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》。從文獻看，它只有方位補償，而沒有渦流補償。數(shù)字探頭當然不知道飛機在加速！
我們的研究沒有中斷。硬件成套，可在小型無人機戴飛。
而軟件，因信息科技的進展又有更好的處理方法，如“盲信號處理”。我們掌握一份親自飛得的大數(shù)據(jù)，可在實驗室隨時實測。
現(xiàn)在，硬件軟件系統(tǒng)集成，方法實測有效，是一項真正的“技術(shù)科學”研究成果，就只等待為我國建設(shè)服務(wù)的機會了！
作者后記：
我們開發(fā)的航磁測量技術(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)“動力滑翔機+核磁共振探頭”方案，以民用設(shè)備替代專業(yè)航磁飛機，用錄像定位解決無GPS難題，使航磁勘探從“國家專營”走向“普惠應(yīng)用”。
2. 數(shù)字補償模型創(chuàng)新
面對國際公認難題“航磁干擾補償”，二人顛覆傳統(tǒng)的線圈物理補償思路，首創(chuàng)多探頭差分式數(shù)學補償模型（ H干擾=∑ai×Hi ），通過“飛八字”采集數(shù)據(jù)擬合系數(shù)，成功消除飛機姿態(tài)、渦流等干擾，精度超越同期加拿大技術(shù)。
3. 無人機替代實現(xiàn)安全升級
將物探系統(tǒng)移植至無人機平臺，徹底規(guī)避傳統(tǒng)航磁勘探的人員飛行風險，實現(xiàn)“無人化”“智能化”轉(zhuǎn)型。
這項技術(shù)的研發(fā)價值遠超技術(shù)本身——
實踐驗證：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；
學術(shù)貢獻：渦流補償?shù)仍肀粚懭氡贝蟠T士畢業(yè)論文，形成完整技術(shù)科學體系；
時代前瞻：早于國際同行十余年攻克動態(tài)補償難題，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，民間智慧與家國情懷的結(jié)合，亦可鑄就“國之重器”。
自研航磁探測系統(tǒng)組件
作者簡介： 陳耀松，北京大學力學系教授。
