[0001] 本发明涉及地球物理地磁场精细测量技术领域，是一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法及测量装置。

[0002] 地磁场矢量测量可有效减少地球物理勘查反演中的多解性，有助于对磁性体的定性及定量解释。目前，国内外地球物理探矿工作者普遍使用的地磁野外测量仪器是普通质子磁力仪、光泵磁力仪或overhauser质子磁力仪。这些磁力仪在野外使用方便，测量精度已经达到或优于1nT，可测量地磁总场强度标量值，但是，总场磁力仪不能测量地磁场矢量，在进行地磁场矢量野外测量时，只能使用精度较低、测量误差达数10nT的磁通门三分量磁力仪，这种磁力仪不能满足专业地球物理勘查工作的需要。目前市场销售的加拿大CEM公司didD矢量磁力仪代表了地磁场矢量测量的国际先进水平，采用的测量方法是：在高精度总场磁力仪探头上安装两组互相正交的线圈，正交线圈的轴线在水平面和子午面内与地磁场矢量F正交。首先记录未加偏置电流时的全磁场T，然后向在子午面内轴线垂直T的线圈，即磁场倾角（D）线圈内，依次输入大小相等，方向相反的偏置电流，记录这两个偏置电流所产生的偏转磁场与地磁场的合成磁场，称之为Ip和Im，同样，再向在水平面内轴线垂直T的线圈，即磁偏角（D）线圈内，依次输入大小相等，方向相反的偏置电流，记录这两个偏置电流所产生的偏转磁场与地磁场的合成磁场，称为Dp和Dm，然后经计算确定磁场T的倾角（I）和偏角(D)的变化dI和dD（http://www.gemsys.ca/products/vecrot-magneromerets/）.GME公司dIdD矢量磁力仪测量时无需对地磁分量做完全补偿，设备比较轻便。但是需要将探头上的正交线圈轴线预先分别在水平面和子午面内调整到与待测地磁场矢量T正交的方位，仪器的安装调整准备工作复杂繁琐，只能用于在地磁场倾角I和磁场偏角D已知的固定式地震地磁观测台站，测量地磁倾角I和偏角D随时间的偏移变化量。因此，现有的地磁场矢量测量设备和技术均不适合在野外找矿环境中进行高精度测量。

[0003] 本发明的目的是提供一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法及测量装置，它能解决现有技术的不足。

[0004] 本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现：一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法，用三角架、垂直线圈及总场磁力仪测量无附加磁场时的正常地磁场TO、地磁场附加垂直向上磁场Tf和附加两倍垂直向上磁场2Tf的2个合成磁场值T-1、T-2，计算磁场垂直分量Z、水平分量H、地磁倾角I，计算方法如下：；
所述垂直线圈为方形线圈，方形线圈由4个边长相等的正方形线圈依次纵向排列，各正方形线圈的中心点的连线垂直于任一正方形线圈，每两个正方形线圈的间距相等，两个上下端正方形线圈间的距离等于正方形线圈的边长。

[0005] 设置水平线圈，使垂直线圈与水平线圈的几何中心重合，用总场磁力仪测量地磁场附加水平正向磁场和水平反向磁场后的2个合成磁场值T+∥、T-∥，计算地磁偏角，计算方法如下：其中：DO=水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值；
所述水平线圈为方形线圈，方形线圈由4个边长相等的正方形线圈依次横向排列，各正方形线圈的中心点的连线垂直于任一正方形线圈，每两个正方形线圈的间距相等，两个左右外侧正方形线圈间的距离等于正方形线圈的边长。

[0006] 所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法，步骤如下：①将总场磁力仪探头置于垂直线圈中部，垂直线圈安装在三角架上，垂直线圈为方形线圈；
②将垂直线圈通过导线与激磁电源连接，激磁电源上设置波段开关；
③调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈不加电，用总场磁力仪测量无附加磁场的地磁场To；
④调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为I，垂直线圈产生垂直向上的磁场Tf ,用总场磁力仪测量磁场Tf与地磁场的合成磁场T-1；
⑤调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为2I，垂直线圈产生垂直向上的磁场2Tf ,用总场磁力仪测量磁场2Tf与地磁场的合成磁场T-2,用To、T-1、T-2计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，计算方法如下：
；
所述水平线圈为方形线圈，方形线圈由至少3个方形线圈平行排列构成，中间的方形线圈直径大于其它方形线圈的直径，其它方形线圈直径相同。

[0007] 在垂直线圈上安装水平线圈，使垂直线圈和水平线圈的几何中心重合，将总场磁力仪探头置于两线圈的几何中心重合处，水平线圈为方形线圈，用总场磁力仪测量地磁场附加水平正向磁场T+∥和水平反向磁场T-∥后的合成磁场，计算地磁偏角，计算方法如下：其中:DO为水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值。

[0008] 所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法，步骤如下：①将总场磁力仪探头置于垂直线圈中部，垂直线圈安装在三角架上，垂直线圈为方形线圈；
②将垂直线圈通过导线与激磁电源连接，激磁电源上设置波段开关；
③调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈不加电，用总场磁力仪测量无附加磁场的地磁场To；
④调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为I，垂直线圈产生垂直向上的磁场Tf ,用总场磁力仪测量磁场Tf与地磁场的合成磁场T-1；
⑤调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为2I，垂直线圈产生垂直向上的磁场2Tf ,用总场磁力仪测量磁场2Tf与地磁场的合成磁场T-2,用To、T-1、T-2计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，计算方法如下：
；
⑥将水平线圈安装在垂直线圈上，使两线圈的几何中心重合，将水平线圈与激磁电源连接，水平线圈为方形线圈；
⑦调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈正向加电，用总场磁力仪测量水平线圈正向磁场与地磁场的合成磁场T+∥；
⑧调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈反向加电，用总场磁力仪测量水平线圈反向磁场与地磁场的合成磁场T-∥；用To、T-1、T-2、T+∥和T-∥的测量数值计算磁场垂直分量Z、水平分量H、地磁倾角I和地磁偏角D，计算方法如下：
其中DO为水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值。

[0009] 一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法使用的测量装置，包括三角架，三角架上安装水平刻度盘，刻度盘上安装转筒，转筒内安装固定柱，固定柱上安装线圈座，线圈座上安装两个半轴支架，两个半轴支架顶部安装相应的半轴，半轴通过连接板与垂直线圈骨架连接，垂直线圈骨架与水平线圈骨架连接，沿水平线圈骨架缠绕水平线圈，沿垂直线圈骨架缠绕垂直线圈，垂直线圈与水平线圈的几何中心重合，垂直线圈和与水平线圈均通过导线与线圈激磁电源相连，在垂直线圈与水平线圈的几何中心重合处安装总场磁力仪探头，总场磁力仪探头通过导线与总场磁力仪连接。水平线圈骨架上安装支撑板，支撑板上安装相互正交的第一玻璃长水准泡和第二玻璃长水准泡，第一玻璃长水准泡和第二玻璃长水准泡的水平面与垂直线圈平面平行。水平刻度盘的上端、转筒外周安装旋转座，旋转座上端面与线圈座连接，旋转座的侧面上安装锁紧螺栓。垂直线圈骨架与水平线圈骨架正交安装在线圈座的两个半轴上，线圈骨架可绕水平半轴竖向180°转动，线圈座可绕固定柱水平180°转动。所述垂直线圈为方形线圈，方形线圈由4个边长相等的正方形线圈依次纵向排列，各正方形线圈的中心点的连线垂直于任一正方形线圈，每两个正方形线圈的间距相等，两个上下端正方形线圈间的距离等于正方形线圈的边长。所述水平线圈为方形线圈，方形线圈由4个边长相等的正方形线圈依次横向排列，各正方形线圈的中心点的连线垂直于任一正方形线圈，每两个正方形线圈的间距相等，两个左右外侧正方形线圈间的距离等于正方形线圈的边长。

[0010] 一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法，包括下述步骤：①在拟观测位置安装三角架，三角架上安装水平刻度盘，刻度盘上安装转筒，转筒内安装固定柱，固定柱上安装线圈座，线圈座上安装两个半轴支架，两个半轴支架顶部安装相应的半轴，半轴通过连接板与垂直线圈骨架连接，垂直线圈骨架与水平线圈骨架连接，沿水平线圈骨架缠绕水平线圈，沿垂直线圈骨架缠绕垂直线圈，垂直线圈与水平线圈的几何中心重合，垂直线圈和与水平线圈均通过导线与线圈激磁电源相连，在线圈几何中心重合处安装总场磁力仪探头，总场磁力仪探头通过导线与总场磁力仪连接；
②调整三角架使垂直线圈处在垂直状态，水平线圈处在水平状态，水平线圈方位角为DO，垂直线圈和水平线圈均采用方形线圈；
③调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈不加电，用总场磁力仪测量无附加磁场的地磁场To；
④调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电源强度为I，垂直线圈产生垂直向上的磁场Tf ,用总场磁力仪测量磁场Tf与地磁场的合成磁场T-1；
⑤调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电源强度为2I，垂直线圈产生垂直向上的磁场2Tf ,用总场磁力仪测量磁场2Tf与地磁场的合成磁场T-2,用To、T-1、T-2计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，计算方法如下：
；
⑥将水平线圈安装在垂直线圈上，使两线圈的几何中心重合，将水平线圈与激磁电源连接，水平线圈为方形线圈；
⑦调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈正向加电，用总场磁力仪测量水平线圈正向磁场与地磁场的合成磁场T+∥；
⑧调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈反向加电，用总场磁力仪测量水平线圈反向磁场与地磁场的合成磁场T-∥；用To、T-1、T-2、T+∥和T-∥数值计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I和地磁偏角D，计算方法如下：
其中DO为水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值。

[0011] 本发明的有益效果：本发明的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的装置适用于中高纬度地区地磁测量。用本发明所述的装置测量地磁场矢量仅需将附加磁场线圈调整到水平或垂直状态，观测前的准备工作简单，不仅可用于地球物理勘查的地磁场矢量野外大面积快速测量、还可用于固定台站定点观测，提高测量效率；本发明的装置仅需要提供短时间内数值相差一倍、方向与地磁场垂直分量相反的附加磁场，所需的附加磁场值不超过2000 nT、不需对地磁垂直分量进行精确补偿，提供附加磁场的线圈电流不必大功率长时间稳流，线圈功耗低，装置轻便，不仅适合于野外移动测量，用于固定台站观测也可明显降低能耗。本发明所述的使用方形偏置线圈配合总场磁力仪，可在野外环境下快速测量地磁场矢量的各个分量，包括垂直分量Z、水平分量H、倾角I和偏角D，进而可推算出任意方向的地磁场分量，所得到的地磁场矢量参数多，在观测前仅需对线圈作水平调整和方向调整，测量前的准备工作比较简单，适用于地球物理勘查剖面工作中的精细测量。本发明使用时，可单独用一组垂直多环线圈配合总场磁力仪，可测量除地磁偏角D以外的其它地磁场分量，包括垂直分量Z、水平分量H和倾角I。在观测前仅需对线圈作水平调整，适用于地球物理勘查野外普查工作中的大面积快速测量。本发明所述的地磁场矢量测量的精度与配合使用的总场磁力仪的精度正相关。若总场磁力仪使用测量精度达到0.01nT或更高的overhauser质子磁力仪或光泵磁力仪，将使本发明的地磁场矢量测量精度远优于测量误差达数10nT的磁通门三分量磁力仪。
附图说明

[0012] 附图1是本发明一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法及测量装置的结构示意图；附图2是附图1中I部放大结构示意图；附图3是附图1中A向结构示意图；附图4是垂直线圈和水平线圈正交后形成的方形偏置线圈的结构示意图；附图5是方形线圈示意图；附图6是本发明地磁场矢量测量原理图；图面为通过地磁场矢量T和垂直线圈轴线的垂直平面，H为水平分量，Z为垂直分量，Tf和2Tf为数值相差一倍、方向与地磁场垂直分量相反的垂向附加磁场，Z - Tf为施加反向附加磁场后的合成磁场垂直分量，Z - 2Tf为施加2倍反向附加磁场后的合成磁场垂直分量，To为无附加磁场时观测的正常地磁场，T-1和T-2数值为附加反向垂向磁场和2倍反向垂向磁场后观测的合成磁场，I为地磁倾角。

[0013] 附图标记：1三角架 2固定板 3水平刻度盘 4调节螺栓 5旋转座 6转筒 7固定螺母 8线圈座 9固定柱 10锁紧螺栓 11水平线圈骨架 12垂直线圈骨架 13探头固定筒14总场磁力仪探头 15连接杆 16支撑板 17瞄准器 18玻璃圆水准泡 19通孔 20垂直线圈 21水平线圈 22总场磁力仪 23第一玻璃长水准泡 24第二玻璃长水准泡 25.26半轴支架 27.28连板 29.30半轴 31水准泡 32电源 K开关。

[0014] 本发明所述方形偏置线圈也可称为改进型亥姆霍茨线圈。

[0015] 本发明所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法及测量装置，用三角架、垂直线圈及总场磁力仪测量无附加磁场时的正常地磁场TO、地磁场附加垂直向上磁场Tf和附加两倍垂直向上磁场2Tf的2个合成磁场值T-1、T-2，计算磁场垂直分量Z、水平分量H、地磁倾角I，计算方法如下：；
所述垂直线圈为方形线圈，方形线圈由4个边长相等的正方形线圈依次纵向排列，各正方形线圈的中心点的连线垂直于任一正方形线圈，每两个正方形线圈的间距相等，两个上下端正方形线圈间的距离等于正方形线圈的边长。

[0016] 本发明所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法，设置水平线圈，使垂直线圈与水平线圈的几何中心重合，用总场磁力仪测量地磁场附加水平正向磁场和水平反向磁场后的2个合成磁场值T+∥、T-∥，计算地磁偏角，计算方法如下：其中：DO=水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值；
所述水平线圈为方形线圈，方形线圈由4个边长相等的正方形线圈依次横向排列，各正方形线圈的中心点的连线垂直于任一正方形线圈，每两个正方形线圈的间距相等，两个左右外侧正方形线圈间的距离等于正方形线圈的边长。

[0017] 本发明所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法，步骤如下：①将总场磁力仪探头置于垂直线圈中部，垂直线圈安装在三角架上，垂直线圈为方形线圈；
②将垂直线圈通过导线与激磁电源连接，激磁电源上设置波段开关；
③调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈不加电，用总场磁力仪测量无附加磁场的地磁场To；
④调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为I，垂直线圈产生垂直向上的磁场Tf ,用总场磁力仪测量磁场Tf与地磁场的合成磁场T-1；
⑤调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为2I，垂直线圈产生垂直向上的磁场2Tf ,用总场磁力仪测量磁场2Tf与地磁场的合成磁场T-2,用To、T-1、T-2计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，计算方法如下：
。

[0018] 本发明所述在垂直线圈上安装水平线圈，使垂直线圈和水平线圈的几何中心重合，将总场磁力仪探头置于两线圈的几何中心重合处，水平线圈为方形线圈，用总场磁力仪测量地磁场附加水平正向磁场T+∥和水平反向磁场T-∥后的合成磁场，计算地磁偏角，计算方法如下：其中:DO为水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值。

[0019] 所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法，步骤如下：①将总场磁力仪探头置于垂直线圈中部，垂直线圈安装在三角架上，垂直线圈为方形线圈；
②将垂直线圈通过导线与激磁电源连接，激磁电源上设置波段开关；
③调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈不加电，用总场磁力仪测量无附加磁场的地磁场To；
④调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为I，垂直线圈产生垂直向上的磁场Tf ,用总场磁力仪测量磁场Tf与地磁场的合成磁场T-1；
⑤调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为2I，垂直线圈产生垂直向上的磁场2Tf ,用总场磁力仪测量磁场2Tf与地磁场的合成磁场T-2,用To、T-1、T-2计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，计算方法如下：
；
⑥将水平线圈安装在垂直线圈上，使两线圈的几何中心重合，将水平线圈与激磁电源连接，水平线圈为方形线圈；
⑦调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈正向加电，用总场磁力仪测量水平线圈正向磁场与地磁场的合成磁场T+∥；
⑧调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈反向加电，用总场磁力仪测量水平线圈反向磁场与地磁场的合成磁场T-∥；用To、T-1、T-2、T+∥和T-∥的测量数值计算磁场垂直分量Z、水平分量H、地磁倾角I和地磁偏角D，计算方法如下：
其中DO为水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值。

[0020] 本发明所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法使用的测量装置，包括三角架1，三角架1上安装水平刻度盘3，水平刻度盘3上安装转筒6，转筒6内安装固定柱9，固定柱9上安装线圈座8，线圈座8上安装两个半轴支架，两个半轴支架顶部安装相应的半轴，半轴通过连接板与垂直线圈骨架12连接，垂直线圈骨架12与水平线圈骨架11连接，沿水平线圈骨架11缠绕水平线圈21，沿垂直线圈骨架12缠绕垂直线圈20，垂直线圈20与水平线圈21的几何中心重合，垂直线圈20和与水平线圈21均通过导线与线圈激磁电源相连，在垂直线圈与水平线圈的几何中心重合处安装总场磁力仪探头14，总场磁力仪探头14通过导线与总场磁力仪22连接。水平刻度盘3的外圈上安装玻璃圆水准泡18。

[0021] 本发明所述装置优选的方案是：水平线圈骨架11上安装支撑板16，支撑板16上安装相互正交的第一玻璃长水准泡23和第二玻璃长水准泡24，第一玻璃长水准泡23和第二玻璃长水准泡24的水平面与垂直线圈平面平行。水平刻度盘3的上端、转筒6外周安装旋转座5，旋转座5上端面与线圈座8连接，旋转座5的侧面上安装锁紧螺栓10。垂直线圈骨架12与水平线圈骨架11正交安装在线圈座8的两个半轴上，线圈骨架可绕水平半轴竖向180°转动，线圈座8可绕固定柱9水平180°转动。所述垂直线圈为方形线圈，方形线圈由4个边长相等的正方形线圈依次纵向排列，各正方形线圈的中心点的连线垂直于任一正方形线圈，每两个正方形线圈的间距相等，两个上下端正方形线圈间的距离等于正方形线圈的边长。所述水平线圈为方形线圈，方形线圈由4个边长相等的正方形线圈依次横向排列，各正方形线圈的中心点的连线垂直于任一正方形线圈，每两个正方形线圈的间距相等，两个左右外侧正方形线圈间的距离等于正方形线圈的边长。

[0022] 本发明所述一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法中优选的整体方案是采用垂直线圈和水平线圈组合后的测量方法，步骤如下：①在拟观测位置安装三角架，三角架上安装水平刻度盘3，刻度盘3上安装转筒6，转筒
6内安装固定柱9，固定柱9上安装线圈座8，线圈座8上安装两个半轴支架，两个半轴支架顶部安装相应的半轴，半轴通过连接板与垂直线圈骨架12连接，垂直线圈骨架12与水平线圈骨架11连接，沿水平线圈骨架11缠绕水平线圈21，沿垂直线圈骨架12缠绕垂直线圈20，垂直线圈20与水平线圈21的几何中心重合，垂直线圈20和与水平线圈21均通过导线与线圈激磁电源相连，在线圈几何中心重合处安装总场磁力仪探头14，总场磁力仪探头14通过导线与总场磁力仪22连接；
②调整三角架使垂直线圈处在垂直状态，水平线圈处在水平状态，水平线圈方位角为DO，垂直线圈和水平线圈均采用方形线圈；
③调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈不加电，用总场磁力仪测量无附加磁场的地磁场To；
④调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电源强度为I，垂直线圈产生垂直向上的磁场Tf ,用总场磁力仪测量磁场Tf与地磁场的合成磁场T-1；
⑤调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电源强度为2I，垂直线圈产生垂直向上的磁场2Tf ,用总场磁力仪测量磁场2Tf与地磁场的合成磁场T-2,用To、T-1、T-2计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，计算方法如下：
；
⑥将水平线圈安装在垂直线圈上，使两线圈的几何中心重合，将水平线圈与激磁电源连接，水平线圈为方形线圈；
⑦调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈正向加电，用总场磁力仪测量水平线圈正向磁场与地磁场的合成磁场T+∥；
⑧调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈反向加电，用总场磁力仪测量水平线圈反向磁场与地磁场的合成磁场T-∥；用To、T-1、T-2、T+∥和T-∥数值计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I和地磁偏角D，计算方法如下：
其中DO为水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值。

[0023] 本发明所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法，可以单独使用垂直线圈测量地磁场的垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，使用垂直线圈和水平线圈组合后，可以测量地磁场的垂直分量Z、水平分量H、地磁倾角I和地磁偏角D。

[0024] 实施例1用本发明所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法使用的测量装置测量地磁场矢量，将地磁场矢量测量方法使用的装置中的三角架安放在拟观测位置，使三脚架顶部的圆形水准泡平面大致居中；调整三脚架调平旋钮，使线圈上的两个纵横水准泡都处在居中状态，使用瞄准器对准事先按照剖面方位角D0设置的地面方向标志，此时水平线圈的方位角为D0，测量步骤如下：
①在垂直线圈和水平线圈的几何中心重合处安装总场磁力仪探头14，总场磁力仪探头
14通过导线与总场磁力仪22连接；
②调整三角架调平旋钮使垂直线圈处在垂直状态，水平线圈处在水平状态，水平线圈方位角为DO；
③调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈不加电，用总场磁力仪测量无附加磁场的地磁场To；
④调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电源强度为I，垂直线圈产生垂直向上的磁场Tf ,用总场磁力仪测量磁场Tf与地磁场的合成磁场T-1；
⑤调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电源强度为2I，垂直线圈产生垂直向上的磁场2Tf ,用总场磁力仪测量磁场2Tf与地磁场的合成磁场T-2,用To、T-1、T-2计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，计算方法如下：
；
⑥将水平线圈安装在垂直线圈上，使两线圈的几何中心重合，将水平线圈与激磁电源连接，水平线圈为方形线圈；
⑦调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈正向加电，用总场磁力仪测量水平线圈正向磁场与地磁场的合成磁场T+∥；
⑧调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈反向加电，用总场磁力仪测量水平线圈反向磁场与地磁场的合成磁场T-∥；用To、T-1、T-2、T+∥和T-∥数值计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I和地磁偏角D，计算方法如下：
其中DO为水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值。上述步骤完成了该测点的地磁场分量测量。重复上述步骤完成下一个测量点的测量工作。

[0025] 垂直线圈和水平线圈均采用方形线圈。

[0026] 为了降低方位误差和调平误差的影响，可将线圈座水平旋转180°后重复调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电和反向2倍电流加电，用总场磁力仪分别测量垂直线圈2个反向磁场与地磁场的合成磁场T-1、 T-2；将水平线圈竖向翻转180°后重复调整激磁电源开关，使激磁电源对水平线圈正、反向加电，用磁总场磁力仪测量水平线圈正、反向磁场与地磁场的合成磁场T＋∥、T-∥，与转向前的测量值取平均值作为测量结果。

[0027] 实施例2用本发明所述的一种用方形偏置线圈测量地磁场矢量的方法使用的测量装置测量地磁场矢量，将地磁场矢量测量方法使用的装置中的三角架安放在拟观测位置，使三脚架顶部的圆形水准泡平面大致居中；调整三脚架调平旋钮，使垂直线圈上的两个纵横水准泡都处在居中状态，此时，垂直线圈轴线处在垂直状态，测量步骤如下：
①将总场磁力仪探头置于垂直线圈中部，垂直线圈安装在三角架上，垂直线圈为方形线圈；
②将垂直线圈通过导线与激磁电源连接，激磁电源上设置波段开关；
③调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈不加电，用总场磁力仪测量无附加磁场的地磁场To；
④调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为I，垂直线圈产生垂直向上的磁场Tf ,用总场磁力仪测量磁场Tf与地磁场的合成磁场T-1；
⑤调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，电流强度为2I，垂直线圈产生垂直向上的磁场2Tf ,用总场磁力仪测量磁场2Tf与地磁场的合成磁场T-2,用To、T-1、T-2计算磁场垂直分量Z、水平分量H和地磁倾角I，计算方法如下：
。

[0028] 上述步骤完成该测点的地磁场分量测量。重复上述步骤完成下一个测量点的测量工作。

[0029] 为了降低方位误差和调平误差的影响，可将线圈座水平旋转180°后重复调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈反向加电，用总场磁力仪测量垂直线圈反向磁场与地磁场的合成磁场T-1； 调整激磁电源开关，使激磁电源对垂直线圈2倍电流反向加电，用总磁场磁力仪测量垂直线圈反向磁场与地磁场的合成磁场T-2，取平均值作为测量结果。

[0030] 本发明所述的测量方法的地磁场矢量测量原理如图6所示，计算地磁场的垂直分量Z、水平分量H、地磁倾角I和地磁偏角D方法的原理是：分别在总场磁力仪探头处施加方向与地磁场垂直分量相反，强度为Tf、2Tf的磁场，通过总场磁力仪分别测量无附加磁场时的地磁场To、附加磁场Tf的合成磁场T-1和附加磁场2Tf的合成磁场T-2，上述磁场值满足下列方程：解上述方程，可得：
在中高纬度地区工作时，正常地磁倾角较大，垂向附加磁场对磁倾角的影响能力相对降低，采用附加反向及反向加倍的垂向附加磁场，可有效提高垂向附加磁场的作用效果。

[0031] 用T+∥表示附加正向水平磁场后观测的合成磁场，用T-∥表示附加反向水平磁场后观测的合成磁场，设水平线圈轴线定向在任意的已知方位DO，通过与图6类似的立体几何分析，可推导出：其中：DO=水平线圈轴线与地理北方向的夹角，为已知的预先设定值；
TO为无附加磁场时的观测的正常地磁场；
T-1为垂直线圈反向激励时总场磁力仪测量的合成磁场；
T-2为垂直线圈2倍反向激励时总场磁力仪测量的合成磁场；
T+∥为水平线圈正向激励时总场磁力仪测量的合成磁场；
T-∥为水平线圈反向激励时总场磁力仪测量的合成磁场。

[0032] 本发明所述线圈激磁电源可提供1-100mA稳定电流，激磁电源可在线圈内产生100-2000nT的磁场。所述总场磁力仪可以是光泵磁力仪、overhauser质子磁力仪或普通质子磁力仪。

[0033] 本发明所述方法中，测量的To、T-1、T-2、T+∥、T-∥中也可用单片机和程控电路控制完成，自动顺序运行并完成测量的地磁场矢量计算。

[0034] 本发明所述的垂直线圈和水平线圈正交同心绕制后构成相互正交、且共中心点的方形偏置线圈，如图4所示。方形偏置线圈的参数用下述公式确定，如图5所示，正方形线圈的边长为2a, w1为内侧方形线圈匝数，w2为外侧方形线圈匝数，对于垂直线圈来说w2是上下两端的两个正方形线圈，对水平线圈来说w2是左右外侧的两个正方形线圈。2d为两个正方形线圈间的距离，设定4个正方形线圈同方向串联，电流为i，方形偏置线圈参数w1、w2、d、a满足下列方程时，方形偏置线圈内部较大范围的磁场是均匀的：3/2*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)/(2*a^2+(z-a)^2)^(5/2)*(2*z-2*a)^2+3/2*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)/(2*a^2+(z+a)^2)^(5/2)*(2*z+2*a)^2-2*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)/(2*a^2+(z+d)^2)^(3/2)+3/2*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)/(2*a^2+(z+d)^2)^(5/2)*(2*z+2*d)^2+3/2*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)/(2*a^2+(z-d)^2)^(5/2)*(2*z-2*d)^2+2*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^2/(2*a^2+(z+a)^2)^(3/2)*(
2*z+2*a)^2-2*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)/(2*a^2+(z-d)^2)^(3/2)-4*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^2/(2*a^2+(z-a)^2)^(1/2)-4*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^2/(
2*a^2+(z+d)^2)^(1/2)+4*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^3/(2*a^2+(z+a)^2)^(1/2)*(2*z+2*a)^2+2*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^2/(2*a^2+(z-a)^2)^(3/2)*(2*z-2*a)^2+2*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^2/(2*a^2+(z+d)^2)^(3/2)*(2*z+2*d)^2+4*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^3/(2*a^2+(z-d)^2)^(1/2)*(2*z-2*d)^2-4*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^2/(2*a^2+(z+a)^2)^(1/2)-4*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^2/(2*a^2+(z-d)^2)^(1/2)+4*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^3/(2*a^2+(z-a)^2)^(1/2)*(
2*z-2*a)^2+4*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^3/(2*a^2+(z+d)^2)^(1/2)*(2*z+2*d)^
2+2*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^2/(2*a^2+(z-d)^2)^(3/2)*(2*z-2*d)^2-2*i*a^
2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)/(2*a^2+(z-a)^2)^(3/2)-2*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)/(2*a^2+(z+a)^2)^(3/2) = 0 。
105/8*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)/(2*a^2+(z-a)^2)^(9/2)*(2*z-2*a)
^4+105/8*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)/(2*a^2+(z+a)^2)^(9/2)*(2*z+2*a)^4+105/8*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)/(2*a^2+(z+d)^2)^(9/2)*(2*z+2*d)^4+1
05/8*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)/(2*a^2+(z-d)^2)^(9/2)*(2*z-2*d)^4+48*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^5/(2*a^2+(z+a)^2)^(1/2)*(2*z+2*a)^4+48*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^5/(2*a^2+(z-d)^2)^(1/2)*(2*z-2*d)^4+48*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^5/(2*a^2+(z-a)^2)^(1/2)*(2*z-2*a)^4+48*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^5/(2*a^2+(z+d)^2)^(1/2)*(2*z+2*d)^4+18*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)/(2*a^2+(z+d)^2)^(5/2)+18*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)/(2*a^
2+(z-d)^2)^(5/2)+24*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^2/(2*a^2+(z+d)^2)^(3/2)+48*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^3/(2*a^2+(z+a)^2)^(1/2)+48*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^3/(2*a^2+(z-d)^2)^(1/2)+48*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^3/(2*a^2+(z-a)^2)^(1/2)+48*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^3/(2*a^2+(z+d)^2)^(1/2)+24*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^2/(2*a^2+(z-d)^2)^(3/2)+24*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^2/(2*a^2+(z-a)^2)^(3/2)+18*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)/(2*a^2+(z-a)^2)^(5/2)+24*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^2/(2*a^2+(z+a)^2)^(3/2)+18*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)/(2*a^2+(z+a)^2)^(5/2)-45*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)/(2*a^2+(z+d)^2)^(7/2)*(2*z+2*d)^2+15*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^2/
(2*a^2+(z+a)^2)^(7/2)*(2*z+2*a)^4-45*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)/(2*a^2+(z-d)^2)^(7/2)*(2*z-2*d)^2+24*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^4/(2*a^2+(z+a)^2)^(3/2)*(2*z+2*a)^4+18*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^3/(2*a^2+(z+a)^2)^(5/2)*(2*z+2*a)^4+15*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^2/(2*a^2+(z-a)^2)^(7/2)*(2*z-2*a)^4+15*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^2/(2*a^2+(z+d)^2)^(7/2)*(2*z+2*d)^4-54*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^2/(2*a^2+(z+d)^2)^(5/2)*(2*z+2*d)^2-144*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^4/(2*a^2+(z+a)^2)^(1/2)*(2*z+2*a)^2-144*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^4/(2*a^2+(z-d)^2)^(1/2)*(2*z-2*d)^2+24*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^4/(2*a^2+(z-a)^2)^(
3/2)*(2*z-2*a)^4+18*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^3/(2*a^2+(z-a)^2)^(5
/2)*(2*z-2*a)^4-144*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^4/(2*a^2+(z-a)^2)^(1
/2)*(2*z-2*a)^2+24*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^4/(2*a^2+(z+d)^2)^(3/2)*(2*z+2*d)^4+18*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^3/(2*a^2+(z+d)^2)^(5/2)*(2*z+2*d)^4-144*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^4/(2*a^2+(z+d)^2)^(1/2)*(
2*z+2*d)^2-72*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z+d)^2)^3/(2*a^2+(z+d)^2)^(3/2)*(2*z+2*d)^2+24*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^4/(2*a^2+(z-d)^2)^(3/2)*(2*z-
2*d)^4+18*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^3/(2*a^2+(z-d)^2)^(5/2)*(2*z-2*d)^4+15*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^2/(2*a^2+(z-d)^2)^(7/2)*(2*z-2*d)^4-72*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^3/(2*a^2+(z-d)^2)^(3/2)*(2*z-2*d)^2-54*i*a^2*w1/pi/(a^2+(z-d)^2)^2/(2*a^2+(z-d)^2)^(5/2)*(2*z-2*d)^2-7
2*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^3/(2*a^2+(z-a)^2)^(3/2)*(2*z-2*a)^2-54*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)^2/(2*a^2+(z-a)^2)^(5/2)*(2*z-2*a)^2-45*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z-a)^2)/(2*a^2+(z-a)^2)^(7/2)*(2*z-2*a)^2-72*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^3/(2*a^2+(z+a)^2)^(3/2)*(2*z+2*a)^2-54*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)^2/(2*a^2+(z+a)^2)^(5/2)*(2*z+2*a)^2-45*i*a^2*w2/pi/(a^2+(z+a)^2)/(2*a^2+(z+a)^2)^(7/2)*(2*z+2*a)^2 = 0 。
上述方程中有4个变量，设定w1/w2=w，d/a=b，构成两组不关联变量，解得：w=0.418，b=0.25153，由此可知：方形偏置线圈主要参数间的相互关系：上下两端或左右两外侧正方形线圈的距离为2a，2d = 0.25153×2a，内侧线圈与上下两端或左右两外侧正方形线圈匝数比为：w1/w2=0.418。通过计算可知：垂直线圈和水平线圈中的上下两端、左右两外侧4个正方形线圈的匝数均为189匝，内侧4个正方形线圈的匝数均为79匝，垂直线圈中的正方形线圈边长为160mm，上下两端外侧正方形线圈间的距离为160mm，每两个正方形线圈的间距为40.25mm。水平线圈中的正方形线圈的边长是140mm，左右两个外侧正方形线圈的间距为140mm，每两个正方形线圈的间距为35.2mm。