崔志強， 胥值禮， 孟慶敏， 高衛(wèi)東

(中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

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現(xiàn)行三類平臺航磁勘查系統(tǒng)特點及勘查效果評述

崔志強， 胥值禮， 孟慶敏， 高衛(wèi)東

(中國地質(zhì)科學(xué)院 地球物理地球化學(xué)勘查研究所，廊坊 065000)

航磁勘查系統(tǒng)是航空磁力儀器與飛行器的結(jié)合體，其經(jīng)濟高效的特點，已獲得了廣泛地認(rèn)識。以固定翼、直升機、無人機為平臺構(gòu)成的航磁系統(tǒng)，是現(xiàn)行三類主要的航磁勘查系統(tǒng)。這里分別描述了這三種平臺航磁勘查系統(tǒng)的自身特點，介紹了各自的優(yōu)越性和存在的不足。又從各自獲取的測量數(shù)據(jù)質(zhì)量方面和不同系統(tǒng)在同一地區(qū)的成果進(jìn)行詳細(xì)比對，分析了各系統(tǒng)的適應(yīng)性。為今后開展航磁勘查工作中，根據(jù)項目實際條件，正確合理的選擇不同平臺構(gòu)建的航磁勘查系統(tǒng)提供參考，能提高工作效率，獲取更高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。

航磁勘查系統(tǒng)； 固定翼； 直升機； 無人機； 勘查效果

0 引言

航空磁力測量(簡稱航磁測量)是將航空磁力儀及其配套的輔助設(shè)備裝載在飛行器上，在測量地區(qū)上空按照預(yù)先設(shè)定的測線和高度，對地磁場強度或梯度進(jìn)行測量的地球物理方法?，F(xiàn)在航磁測量是基礎(chǔ)性和公益性地質(zhì)調(diào)查、戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查的重要手段，是地質(zhì)勘查現(xiàn)代化的標(biāo)志，在國民經(jīng)濟建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，可為礦產(chǎn)資源與油氣資源調(diào)查評價、海洋地質(zhì)調(diào)查、地下水勘查、工程地質(zhì)、基礎(chǔ)地質(zhì)與研究等提供信息和解釋成果[1-2]。與地面磁測相比，具有測量精度高，效率高，且不受水域、森林、沼澤、沙漠和高山的限制。同時由于飛行是在距地表一定的高度進(jìn)行的，從而減弱了地表磁性不均勻體、地表人文干擾等影響，能夠更加清楚地反映出包括具有一定深部地質(zhì)體的磁場特征。

航磁勘查系統(tǒng)是航空磁測儀器與飛行器相結(jié)合的一個綜合物探勘查系統(tǒng)。隨著科學(xué)技術(shù)地不斷發(fā)展，航空磁測儀器及其配套設(shè)備的使用和飛行器的應(yīng)用都取得了很大的進(jìn)步，如高精度、高采樣率的磁測設(shè)備，靜態(tài)噪聲已經(jīng)達(dá)到1 ‰ nT以內(nèi)，高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的接入，平面定位精度在1 m內(nèi)，飛行控制軟件的使用，有效地提示飛行器沿預(yù)定的高度和線路飛行，以及與多種飛行器的組合應(yīng)用，構(gòu)建了現(xiàn)在的多種航磁勘查系統(tǒng)。航磁設(shè)備也由早期的重量大體積大，向小型化輕量化發(fā)展，從幾十公斤的大體積設(shè)備進(jìn)化到幾公斤，現(xiàn)最輕已達(dá)到2公斤左右。這就更適合與多種飛行器結(jié)合，組成多種航磁勘查系統(tǒng)［3-4］?，F(xiàn)行國內(nèi)使用的主流航磁勘查系統(tǒng)主要包括以固定翼為搭載平臺的航磁勘查系統(tǒng)，以運12平臺為代表(以下簡稱“固定翼航磁勘查系統(tǒng)”)；以直升機為搭載平臺的航磁勘查系統(tǒng)，以小松鼠B3直升機為代表(以下簡稱“直升機航磁勘查系統(tǒng)”)；以無人機為載體的航磁勘查系統(tǒng)，現(xiàn)國內(nèi)應(yīng)用較為成熟的有國產(chǎn)小型彩虹-Ⅲ型無人機(以下簡稱“無人機航磁勘查系統(tǒng)”)。作者對三類航磁勘查系統(tǒng)的特點及勘查效果進(jìn)行研究。

1 不同平臺的航磁勘查系統(tǒng)特點

固定翼航磁勘查系統(tǒng)歷史悠久，航空物探最早是從固定翼飛機平臺發(fā)展而來，經(jīng)歷了多個階段，使用過的固定翼機型較多，主要有運5,、運11、運12、賽斯納208、獎狀Ⅱ等。近年來主要運用運12(Y-12)型開展較大面積的勘查工作。

圖1 Y12型固定翼航磁勘查系統(tǒng)

運12型飛機屬于小型運輸機，內(nèi)部空間大，其固定翼尖和尾翼都可作為磁測儀器安裝部位，同時兼?zhèn)涞涂诊w行能力[6]。因此現(xiàn)在作為多種航空物探技術(shù)的首選飛行平臺，該類航磁系統(tǒng)主要具有以下特點，①固定翼飛機具更大的有效載荷，早期的航磁測量儀器設(shè)備大、探頭體積較大，而且飛行過程中還需要承載飛行員及空中儀器操作員，通?？傊亓窟_(dá)100 kg～200 kg不等；②儀器安裝及飛機改裝較容易且方案較靈活，其寬大的內(nèi)部空間，穩(wěn)定的固定翼尖和尾翼，對安裝航空磁力儀探頭靈活，對飛機的改動小，易于加工，以及獲得試航取證和飛行操作。圖1(a)為安裝在尾部的磁探頭，圖1(b)為安裝在翼尖和尾部的航磁梯度探頭，都能夠有效的避開發(fā)動機及螺旋槳產(chǎn)生的電磁渦流干擾。而且現(xiàn)在高精度航磁系統(tǒng)還包括雷達(dá)高度儀、GPS導(dǎo)航天線等，這些設(shè)備需要安裝在飛機主體外部，固定翼飛機都能提供靈活的方案；③保持飛行姿態(tài)穩(wěn)定或緩慢流暢的變化對獲取高質(zhì)量航磁數(shù)據(jù)也至關(guān)重要?，F(xiàn)在以Y12型飛機為代表的固定翼飛機具有飛行控制能力較強，飛行姿態(tài)穩(wěn)定、飛行速度較低、適應(yīng)低空飛行，這都滿足了航磁測量的規(guī)范要求；④航磁勘查較地面磁測的優(yōu)勢是快速高效，固定翼飛機在保證儀器和空乘人員的重量外，還能提供大油量，能夠大大的延長單架次的航時，從而能夠有效的提高航磁測量的工作效率。

除此之外，固定翼航磁勘查系統(tǒng)也具有一些不足之處，①必須借用現(xiàn)有機場起降，起降航空協(xié)調(diào)難度大；②機場到測區(qū)的無效航路時間多，增加了成本，降低了工作效率；③深切割山區(qū)，飛行高度控制難度大，難以達(dá)到規(guī)范要求；④長時間低空飛行空乘人員容易疲勞，產(chǎn)生安全隱患；⑤不宜在小面積范圍內(nèi)開展大比例尺勘查工作等。

直升機航磁勘查系統(tǒng)，從上個世紀(jì)八-九十年代開始有使用?，F(xiàn)今以小松鼠B3型航磁勘查系統(tǒng)最為典型，選用其組合成為航磁勘查系統(tǒng)，主要緣于其具備機動靈活、有效載荷大、航程長、爬升能力強、升限高等特點(圖2)。①其靈活機動的特性，能最大限度根據(jù)需要控制航速、飛行高度、飛行速度等。降低飛行高度對提高航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量至關(guān)重要，特定的飛行大比例尺需要在特定的飛行高度范圍內(nèi)開展工作[7]。降低飛行速度能夠提高數(shù)據(jù)點采樣密度，從而發(fā)現(xiàn)更小的異常。大角度轉(zhuǎn)彎以及空中懸停是直升機的特性，這在實際工作中操作性更強，同時也提高了飛行安全系數(shù)；②可搭建臨時起降點，不需要借用機場?？稍跍y區(qū)內(nèi)或周圍就地起降，能夠根據(jù)工作進(jìn)度不斷的變換基地，減少航路開銷。特別是在重點區(qū)域開展小面積的大比例尺高精度測量方面優(yōu)勢尤為明顯。

圖2 小松鼠B3型直升機航磁勘查系統(tǒng)

源于直升機的特性，其作為航磁勘查系統(tǒng)也存在一些不足，如體積小、內(nèi)部空間狹窄，可提供的儀器安裝方案少，現(xiàn)最常用的是采用安裝硬質(zhì)探桿，航磁探頭固定在向前伸出主槳范圍探桿前端；干擾強、高頻震動劇烈，發(fā)動機、主槳及尾槳的干擾基本覆蓋了整個機身，特別是主槳在飛行中會產(chǎn)生較強的震動，另外，較長的硬質(zhì)探桿在飛行中也會受氣流影響產(chǎn)生晃動，在測量數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)噪聲較大、數(shù)據(jù)處理及調(diào)平工作量加大等。

無人機航磁勘查系統(tǒng)是近年剛發(fā)展起來的，國內(nèi)最早無人機航磁系統(tǒng)出現(xiàn)于2010年，最初是應(yīng)用航模改裝的航模型無人機，2013年才開始進(jìn)入真正的無人機航磁勘查系統(tǒng)研發(fā)與應(yīng)用[8]?，F(xiàn)成功完成區(qū)域性測量的是，由物化探所聯(lián)合中國航天空氣動力技術(shù)研究院研制的彩虹-3型中型無人機航磁勘查系統(tǒng)(圖3)。

圖3 彩虹-3型無人機航磁勘查系統(tǒng)

開展無人機航磁勘查系統(tǒng)研究，主要緣于其費用低、效率高、可預(yù)期的高精度數(shù)據(jù)、低噪聲水平、高空間分辨率以及無人員傷亡等優(yōu)勢。鑒于這些優(yōu)點，無人機航磁系統(tǒng)的研發(fā)力度和進(jìn)展非常大。現(xiàn)今已先后攻克了無人機航磁勘查系統(tǒng)的儀器與飛機之間的集成、飛機改裝、電磁信號屏蔽；超低空地形跟隨飛行控制技術(shù)，能夠自主或交互飛行、避讓障礙物；夜航測量能力，這是前固定翼和直升機無法具備的，夜間測量能夠減少來自地面的人類活動產(chǎn)生的電磁干擾信號，以及海事衛(wèi)星遠(yuǎn)程測控技術(shù)，能夠在幾十百公里之外的地方對無人機實行操控，為開展面積的勘查提供了技術(shù)保障。這些關(guān)鍵技術(shù)的成功，大大提高了無人機航磁勘查系統(tǒng)的數(shù)據(jù)質(zhì)量和開展勘查工作的優(yōu)勢。

其不足之處，受現(xiàn)今民用無人機的自主導(dǎo)航技術(shù)限制，主要表現(xiàn)在障礙物的自動識別及規(guī)避、沿地形起伏的三維航線適時自動規(guī)劃、鏈路通視技術(shù)、數(shù)據(jù)加密保護及傳輸以及制定標(biāo)準(zhǔn)化的工作流程等方面還需要進(jìn)一步開展研究工作。

2 勘查效果評述

在使用相同高精度磁力儀的情況下，儀器測量精度、采樣率以及導(dǎo)航定位精度都相同，上述三類航磁勘查系統(tǒng)獲取的航磁數(shù)據(jù)具有各自的特點，勘查效果也存在一定的差異，這主要緣于系統(tǒng)平臺本身的特點所致。我們從使用這三類航磁勘查系統(tǒng)所獲取的數(shù)據(jù)分別介紹它們的數(shù)據(jù)特點，和同一地區(qū)不同勘查系統(tǒng)之間數(shù)據(jù)的對比。

需要特別說明，由于各系統(tǒng)的磁補償精度和測區(qū)地形情況是影響原始測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的重要因素。因此分別介紹一下各類系統(tǒng)航磁補償精度和測區(qū)地形情況。圖4為以Y12為平臺獲取的固定翼航空磁測對比圖，航磁補償精度為0.061 nT，位于內(nèi)蒙境內(nèi)某沙漠平原區(qū)；圖5為以小松鼠B3直升機為平臺獲取的直升機航空磁測對比圖，航磁補償精度為0.074 nT，位于湖南境內(nèi)某低山區(qū)；圖6為以彩虹-3型無人機為平臺獲取的航空磁測對比圖，航磁補償精度為0.027 nT(無人機干擾小，補償動作標(biāo)準(zhǔn)，補償精度高)，位于黑龍江境內(nèi)某丘陵區(qū)。三個測區(qū)的測量比例尺均為1∶50 000，測線間距為500 m。數(shù)據(jù)均是各架次數(shù)據(jù)進(jìn)行各項校正后匯總，繪制的調(diào)平前原始數(shù)據(jù)(a)和調(diào)平后成果數(shù)據(jù)(b)的對比圖。

從整體來看，原始數(shù)據(jù)質(zhì)量從直升機、固定翼到無人機越來越好，特別是無人機航磁系統(tǒng)原始數(shù)據(jù)與成果數(shù)據(jù)基本一致(圖6)，除了背景場有細(xì)微變化，局部異常細(xì)節(jié)基本相同，甚至難以分辨那個是原始數(shù)據(jù)，調(diào)平前總精度為2.50 nT，調(diào)平后總精度更是在1.77 nT，完全滿足現(xiàn)有航磁規(guī)范小于3 nT的要求。而固定翼和直升機的原始數(shù)據(jù)均不同程度地存在沿測線方向的不規(guī)則條帶干擾，圖4顯示的Y12固定翼航磁原始數(shù)據(jù)條帶較弱，只在磁場低緩區(qū)域條帶反映明顯，其原始數(shù)據(jù)總精度為7.52 nT，調(diào)平后為2.45 nT。而圖5的直升機航磁數(shù)據(jù)條帶最為嚴(yán)重，調(diào)平前磁場區(qū)域場面貌較模糊，異常不清晰，其數(shù)據(jù)調(diào)平前后總精度分別為22.57 nT和2.14 nT。雖然通過切割線調(diào)平及二維精細(xì)調(diào)平后數(shù)據(jù)質(zhì)量都能滿足現(xiàn)行航磁規(guī)范要求，但從調(diào)平前和調(diào)平后的改善率不難看出，直升機系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)質(zhì)量較差，數(shù)據(jù)調(diào)平難度大、耗時多。這種沿測線方向的條帶干擾主要是由于固定翼和直升機的機身及螺旋槳產(chǎn)生的較大渦流在不同飛行方向產(chǎn)生的干擾磁場所導(dǎo)致的。而且直升機系統(tǒng)的硬架探桿較長，飛行過程中的擺動和高頻震蕩強烈，產(chǎn)生規(guī)則干擾和隨機干擾，使原始數(shù)據(jù)噪聲水平較大，增加了調(diào)平難度。

圖4 Y12固定翼航磁原始數(shù)據(jù)與調(diào)平后數(shù)據(jù)對比圖

圖5 小松鼠B3直升機航磁原始數(shù)據(jù)與調(diào)平后數(shù)據(jù)對比圖

圖6 彩虹-3型無人機航磁原始數(shù)據(jù)與調(diào)平后數(shù)據(jù)對比圖

從同一地區(qū)不同航磁勘查系統(tǒng)成果數(shù)據(jù)的對比，能更直觀地反映出各系統(tǒng)的勘查效果。圖7展示了南方某鎢錫鉬鉍多金屬礦床上早期Y12型固定翼航磁系統(tǒng)和近期小松鼠B3直升機航磁系統(tǒng)勘查成果的剖面平面對比圖(成圖參數(shù)一致)?？梢悦黠@看出，直升機航磁系統(tǒng)的成果數(shù)據(jù)中顯示的局部異常更多、強度更大，蘊含的地質(zhì)及找礦信息更加豐富。而這都源于直升機勘查系統(tǒng)的平均地速是150 km/h，平均飛行高度能有效地控制在90 m～110 m之間，而固定翼勘查系統(tǒng)的平均地速是220 km/h，平均飛行高度在200 m以上。不難看出，對于高精度航磁勘查來說，要獲得高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，除了采用較高的采樣率，還應(yīng)保持較低的飛行高度[9]，這方面直升機較固定翼具有明顯的優(yōu)勢。

圖8是Y12型固定翼和彩虹-3型無人機航磁勘查系統(tǒng)在北方某銅鉛鋅礦床上的勘查成果對比圖(成圖參數(shù)相同)。無人機系統(tǒng)在該礦區(qū)完成了2 000 km的測量工作，平均飛行高度120 m，飛行速度160 km/h，共飛行3個架次(儀器狀態(tài)及精度與圖6相同)。固定翼系統(tǒng)(儀器狀態(tài)及精度與圖4相同)的飛行高度為100 m，飛行速度為220 k/h。總體上看，無人機系統(tǒng)數(shù)據(jù)質(zhì)量與同期開展的Y12型固定翼航測成果相當(dāng)，甚至更好。兩圖中對比標(biāo)注的三個橢圓形區(qū)域顯示，在固定翼系統(tǒng)成果資料上反映很弱甚至沒有，一定程度上表現(xiàn)出無人機航磁優(yōu)于固定翼測量成果，并且本次無人機航磁系統(tǒng)是在夜間完成飛行，有效地降低了來自地面礦山采礦電磁干擾，有人機無法實現(xiàn)夜間飛行。與有人機相比，無人機沿設(shè)計測線飛行的導(dǎo)航完全靠計算機進(jìn)行，導(dǎo)航定位能力更強，飛行姿態(tài)更加穩(wěn)定，更適宜開展小面積大比例尺的重點成礦區(qū)段的勘查任務(wù)。

圖7 Y12固定翼與直升機航磁勘查成果對比圖

圖8 Y12固定翼與彩虹-3無人機航磁測量成果對比圖

雖然我們還尚未直升機工作區(qū)域重新開展無人機系統(tǒng)的對比試驗，但從無人機與固定翼系統(tǒng)和直升機與固定翼系統(tǒng)勘查成果的對比中，已經(jīng)能夠較為清晰地反映出這三種平臺的航磁系統(tǒng)特點及其勘查效果。

3 結(jié)論

隨著科技地不斷進(jìn)步和地質(zhì)找礦地不斷深入，對地質(zhì)勘查技術(shù)的要求也越來越高，工作的地區(qū)條件也越來越艱苦。航空磁測作為一種快速經(jīng)濟的高精度磁法勘查手段，受地面條件制約弱，正越來越受重視。但各類平臺的航磁勘查系統(tǒng)都有自身的特點，要高效、安全、高質(zhì)量的獲取原始數(shù)據(jù)，完成既定目標(biāo)任務(wù)，應(yīng)綜合考慮探測目標(biāo)體、測區(qū)的位置、地形條件等，制定測量比例尺、測量精度、飛行高度、飛行方法等技術(shù)方案，進(jìn)而選擇適合的搭載平臺開展工作。

在長期從事航空磁測工作經(jīng)驗，有以下基本規(guī)律：① 在小面積開展大比例尺、高分辨率、高精度的地質(zhì)詳查工作時，可選擇直升機和無人機系統(tǒng)，其機動靈活和輕型化的飛行控制平臺更便于操控，對起降場所要求較低；② 在高山區(qū)、高原、荒漠無人區(qū)、中高山區(qū)等地，開展面積性的中-大比例尺的高精度航磁勘查工作，可選用性能優(yōu)越的固定翼飛機或直升機為平臺的勘查系統(tǒng)，固定翼系統(tǒng)雖然需要固定的機場，但其總裝及控制技術(shù)難度較低，系統(tǒng)更穩(wěn)定。直升機系統(tǒng)雖然航程較短，但在實際工作中可以根據(jù)測量進(jìn)度，不斷變化作業(yè)基地，以提高工作效率，雖然直升機系統(tǒng)較固定翼系統(tǒng)成本稍高，但能獲取細(xì)節(jié)更加豐富的原始數(shù)據(jù)，對找礦工作更為有利。

近年來隨著通用航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展及戶外極限運動的興起，航空物探不斷嘗試應(yīng)用動力滑翔翼、熱氣球、飛艇等方式開展航磁勘查工作,這些平臺適合于更小范圍的勘查任務(wù)。相比而言，這些平臺的勘查效率很低，飛行穩(wěn)定性差，數(shù)據(jù)噪聲大，不利于開展大比例尺的高精度測量工作。

今后的的地質(zhì)礦產(chǎn)勘查工作將向攻深找盲、高精度高分辨率方向發(fā)展。航空物探作為地質(zhì)找礦先行者，其技術(shù)也將向著提高對探測目標(biāo)的分辨能力和探測深度的方向發(fā)展。航空物探的進(jìn)一步發(fā)展，將為國民經(jīng)濟建設(shè)作出更大貢獻(xiàn)。

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Review on exploration effect and characteristics of aeromagnetic survey system based on current three types flying-platform

CUI Zhi-qiang， XUZhi-li， MENG Qing-min， GAO Wei-dong

(Institute of Geophysical and Geochemical Exploration,CAGS,Langfang 065000,China)

Aeromagnetic survey system is combined with the airborne magnetic instrument and aircraft. The economic and efficient characteristics has been widely recognized. There are three main kinds of aeromagnetic exploration system based on the fixed wing and helicopter and unmanned aerial magnetic system currently.. Firstly, the characteristics of the three kinds of aeromagnetic survey system were described and their respective advantages and shortcomings were introduced in this paper. Secondly, the measurement data of the respective quality were introduced compared with the exploration results in the same area of different systems. At the same time, the adaptability of each system were pointed out. Finally, according to the actual working conditions of the project, how to choose the proper exploration system in field was given by this paper.

aeromagnetic survey system; fixed wing; helicopters; UAV; exploration effect

2014-08-18 改回日期：2015-06-16

中國地質(zhì)調(diào)查局項目(12120115039501)；中國地質(zhì)調(diào)查局項目(1212011087006)

崔志強(1981-)，男，碩士，從事航空物探技術(shù)及研究工作，E-mail：cuizhiqiang@igge.cn。

1001-1749(2015)04-0437-07

P 631.2+22

A

10.3969/j.issn.1001-1749.2015.04.05