金久強(qiáng)，于長春，石磊，徐明，張京卯，郭亮，蔣久明

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

在“十三五”期間，我國航空物探系統(tǒng)集成技術(shù)取得令人矚目發(fā)展的同時(shí)，國外航空物探行業(yè)的變化正悄然發(fā)生，測量技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步[1-2]。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步降低了行業(yè)門檻，傳統(tǒng)地面物探公司紛紛開始使用航空/半航空方法提高效率；航空磁梯度/張量測量系統(tǒng)蓬勃發(fā)展；時(shí)間域/頻率域電磁系統(tǒng)的發(fā)射功率繼續(xù)提高的同時(shí)，接收機(jī)的采樣率也在不斷提升[3]；航空重力梯度/重力標(biāo)量聯(lián)測技術(shù)的應(yīng)用使得航空重力測量的異常信號(hào)響應(yīng)波長實(shí)現(xiàn)了從百米級(jí)到萬米級(jí)的覆蓋，重力全張量系統(tǒng)性能得到了增強(qiáng)[4]；為無人機(jī)設(shè)計(jì)的小型化航空伽馬能譜設(shè)備也開始投入商業(yè)運(yùn)行。這為我們“十四五”的航空物探系統(tǒng)集成工作提供了一些新的方向，也提出了新的挑戰(zhàn)[5]。

1 航空磁測系統(tǒng)

磁標(biāo)量系統(tǒng)在航空物探領(lǐng)域有著最悠久的歷史，相關(guān)技術(shù)十分成熟，幾乎所有現(xiàn)存的航空物探企業(yè)都在一定程度上涉及航磁測量，尤其在多參量測量項(xiàng)目中大量應(yīng)用。磁測技術(shù)路線主要包括磁通門、超導(dǎo)和光泵技術(shù)，其中光泵技術(shù)目前在磁測技術(shù)中占據(jù)主流，也被用于其他學(xué)科[6]。使用多個(gè)磁標(biāo)量測量傳感器，合理地排布其空間位置，即可在測量磁標(biāo)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)磁梯度的測量。磁法在研究巖性結(jié)構(gòu)、斷裂成圖、尋找基本金屬和貴金屬礦、尋找金伯利巖及地理水文測繪等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

航空磁測系統(tǒng)的集成方式分為軟吊掛和硬支架兩種，固定翼飛機(jī)(除少數(shù)有垂直起降能力外)由于起降方式限制，采用軟吊掛方式需要加裝絞車，執(zhí)行起來比較復(fù)雜。目前依然存在的固定翼機(jī)型的磁測系統(tǒng)大多采用硬支架方式。而旋翼機(jī)不受起降方式的限制，無論軟吊掛還是硬架方式均易于實(shí)現(xiàn)。磁梯度信號(hào)對(duì)較近的目標(biāo)反應(yīng)靈敏，經(jīng)常被用于探測淺層人造物體和小規(guī)模地質(zhì)異常，其信號(hào)隨距離的衰減速度比磁標(biāo)量信號(hào)更快，所以需要更低的飛行高度，更適合使用低速小型飛行器執(zhí)飛。圖1展示了部分典型硬架磁測系統(tǒng)。

圖1 典型硬架磁測系統(tǒng)Fig.1 Examples of hard-mounted airborne magnetic survey systems

硬支架系統(tǒng)是航空磁測的主力軍，主要優(yōu)勢在于飛行器的姿態(tài)相比吊艙姿態(tài)更容易控制，測量過程中不會(huì)出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)錯(cuò)誤(如磁傳感器姿態(tài)失控導(dǎo)致的光泵磁力儀失鎖)，受氣流干擾較小，且對(duì)飛行速度沒有限制，飛行高度容易控制。

硬支架磁測系統(tǒng)的磁補(bǔ)償方法無論是集成于固定翼還是旋翼機(jī)，有人機(jī)還是無人機(jī)上，并無本質(zhì)區(qū)別。保持磁干擾源與探測器相對(duì)位置固定，通過Leliak方程等模型擬合飛行器姿態(tài)與磁干擾場的關(guān)系，得到固定的補(bǔ)償系數(shù)，再在實(shí)際測線中測量飛機(jī)姿態(tài)，最后使用擬合系數(shù)計(jì)算并減除該姿態(tài)下的理論磁干擾場。另外隨著慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的提高，一些磁梯度系統(tǒng)也開始使用慣性元件進(jìn)行角度計(jì)算和修正[7]。

航空磁法吊艙系統(tǒng)相對(duì)易于布設(shè)。軟吊掛系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感器與飛行器干擾源的距離非常遠(yuǎn)，磁干擾場建模更加簡單，大多數(shù)情況下甚至可以被忽略。很多軟吊掛系統(tǒng)不需要飛行器供電，僅通過承重吊索與飛行器相連。吊艙系統(tǒng)在接觸輸電線、飛行時(shí)突發(fā)風(fēng)切變、飛行器誤入渦環(huán)等危及安全的特殊情況下，可通過手工或自動(dòng)方式脫離飛行器，從而降低飛行器負(fù)載。其缺點(diǎn)在于，飛行器與軟吊艙組成的系統(tǒng)整體重心會(huì)向吊艙方向移位，吊艙較重時(shí)，整體重心甚至?xí)浦翙C(jī)體之外，不利于飛行器的機(jī)動(dòng)性能。圖2展示了2款典型旋翼機(jī)軟吊磁標(biāo)量測量系統(tǒng)。

圖2 典型旋翼機(jī)軟吊磁標(biāo)量測量系統(tǒng)Fig.2 Examples of “towed-birds” for magnetic scalar surveys

得益于材料科學(xué)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，磁標(biāo)量測量吊艙的質(zhì)量逐漸降低。目前針對(duì)無人機(jī)設(shè)計(jì)的包括慣導(dǎo)、收錄和電池在內(nèi)的一套磁標(biāo)量吊艙測量系統(tǒng)質(zhì)量僅3 kg左右。相比有人機(jī)系統(tǒng)，這些無人機(jī)系統(tǒng)[8]的風(fēng)險(xiǎn)承受能力較高，測量飛行高度可以非常低，一般測量時(shí)探測器離地只有10～30 m；初期布置成本也比較低，在通信可覆蓋的環(huán)境下可以配備實(shí)時(shí)差分GPS(RTK)并實(shí)時(shí)傳輸測量數(shù)據(jù)；因飛行速度慢，探測效率較低，一般作為地面測量的輔助而存在。

有無人機(jī)研發(fā)能力的公司在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)時(shí)可以非常方便地讓二者共用GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)和高度表，進(jìn)一步降低整體的起飛質(zhì)量，如GEM公司自主設(shè)計(jì)制造了GEM Hawk無人直升機(jī)。另一些公司更加注重產(chǎn)品生命周期和開發(fā)成本，直接選用成熟的通用UAV平臺(tái)，能夠達(dá)到更好的飛行控制和環(huán)境適應(yīng)能力。如Devbrio公司在DJI600上集成的磁標(biāo)量吊艙，使用大疆公司技術(shù)體系下的三維導(dǎo)航功能，能夠在6 m/s風(fēng)速下保持測線并自動(dòng)避障(抬高飛行高度)飛行。

國外磁梯度測量的公司對(duì)硬架系統(tǒng)與軟吊掛系統(tǒng)孰優(yōu)孰劣存在很大爭議。一些公司認(rèn)為，軟吊掛磁梯度測量方法的修正難度遠(yuǎn)低于硬架系統(tǒng)，是目前技術(shù)條件下解決磁梯度噪聲問題的最佳方案。如Scott Hogg & Assistants公司公開表示，使用基于Leliak方程的航磁標(biāo)量補(bǔ)償方法會(huì)殘留磁標(biāo)量誤差。這些誤差和錯(cuò)誤值的量值很小，在磁標(biāo)量場測量項(xiàng)目中不構(gòu)成嚴(yán)重問題。但在梯度測量中，隨著飛行方向的改變，該誤差會(huì)不可避免地被傳遞和放大。即使梯度系統(tǒng)中所有標(biāo)量磁傳感器單獨(dú)的FOM值(即品質(zhì)因數(shù)，為磁補(bǔ)償后各方向所有動(dòng)作殘留磁標(biāo)量誤差值之和，越小則代表數(shù)據(jù)質(zhì)量更佳，典型值一般在1 nT以上)在0.6 nT左右時(shí)，也可能會(huì)造成0.2 nT/m以上的與姿態(tài)和航向相關(guān)的高頻梯度噪聲和難以估計(jì)的低頻梯度誤差。而無磁的磁梯度吊艙系統(tǒng)誤差更低。通過在吊艙上加裝無磁或弱磁的慣性模塊和高度表來精確測量實(shí)時(shí)姿態(tài)，即可避免過度使用數(shù)學(xué)近似方法來調(diào)平改正數(shù)據(jù)，也能夠降低磁場上、下延誤差。

將各磁傳感器置于空間四面體頂點(diǎn)的排布方式比較常見，這種方式由于其良好的對(duì)稱性，在處理航向改正及磁補(bǔ)償時(shí)具有計(jì)算優(yōu)勢，包括SHA的“Heli-GT”(圖3a)、Triumph surveys的MTG04“Air-Frame”、GEM的“Triaxbird” 等主流磁梯度吊艙系統(tǒng)使用的都是這種模式。

垂直梯度陣列的排布模式除了地質(zhì)用途之外，同樣可以用于淺層人造小型磁體的精細(xì)查找工作。如Eagle Geophysics 的“White Eagle”系統(tǒng)(圖3b)，將5組垂直梯度磁探測器橫向一字排列，以獲得更高的平面分辨率。

GPR公司的 “Helimag” 系統(tǒng)將傳感器艙設(shè)計(jì)為十字排布(圖3c)，即可以安裝磁傳感器，又可以在兩水平艙內(nèi)安裝頻率域電磁收發(fā)線圈，方便地在兩種用途間轉(zhuǎn)換。

圖3 典型旋翼機(jī)軟吊磁梯度測量系統(tǒng)Fig.3 Examples of “towed-birds” for magnetic gradient surveys

目前GEM公司的GSMP-35A/U鉀光泵磁力儀性能指標(biāo)達(dá)到最佳，其標(biāo)稱靈敏度值達(dá)0.2 pT(1 Hz低通)，轉(zhuǎn)向差0.05 nT，絕對(duì)精度也達(dá)到了0.1 nT，可以直接輸出20 Hz的RS-232串行信號(hào)。在此基礎(chǔ)上，該公司開發(fā)了適合無人機(jī)上使用的“Airgrad”系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了2臺(tái)磁力儀及GPS、慣導(dǎo)、激光高度表和數(shù)據(jù)收錄器，全套電子系統(tǒng)(包括供電)完全集成于吊艙之上，總質(zhì)量僅6 kg。

在小型化方向，芯片級(jí)大小的光泵磁力儀[9-10]于2012年左右開始運(yùn)用在生物磁學(xué)領(lǐng)域，之后在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出了光泵磁梯度儀。這種磁梯度儀使用激光作為光源，由兩組平行光系組成，傳感器部分長度僅60 mm，寬12 mm。該設(shè)備對(duì)20 mm長的基線，20 Hz采樣率時(shí)噪聲級(jí)別為10 fT/Hz1/2。這種設(shè)備更適合手持或者無人機(jī)使用[11-12]。

超導(dǎo)量子干涉(SQUID)磁張量測量系統(tǒng)(圖4a)很有希望成為未來主流的磁梯度測量系統(tǒng)。最早的實(shí)驗(yàn)型SQUID磁測系統(tǒng)在2010年即已推出，但經(jīng)過了漫長的沉寂期后，直到2017年才真正的出現(xiàn)在商用領(lǐng)域，時(shí)至2020年末，技術(shù)已較為成熟。SQUID有極佳的全頻段性能，頻率響應(yīng)極快，采樣率遠(yuǎn)高于目前的光泵系統(tǒng)，可以用于電磁法中二次場的接收；沒有死區(qū)，方便在低緯度地區(qū)和極地的使用；測量的磁梯度值僅限于芯片區(qū)域，受到噪聲影響更小，精度也超過了光泵系統(tǒng)[12-13]。

圖4 SQUID磁張量測量系統(tǒng)Fig.4 Examples of SQUID magnetic tensor surveys

Dias Geophysical Inc.和Spectrem Air等公司的主探測器都是IPHT Jena與Supracon AG聯(lián)合研發(fā)制造的SQUID傳感器，該公司的M12芯片固有噪聲已可以達(dá)到0.33 fT/Hz1/2。Supracon AG最新一代航空磁張量吊艙系統(tǒng)命名為“Jessy Star”[14](圖4b)。該系統(tǒng)的核心SQUID傳感器置于無磁低溫恒溫器底部，該恒溫器填充了溫度4.2 K的液氦。SQUID的非線性模擬信號(hào)通過低溫恒溫器頂部的反饋電路線性化和數(shù)字化，輸出信號(hào)采樣率1 kHz。數(shù)據(jù)采集模塊采用電池供電，最多可運(yùn)行10 h。吊艙上同時(shí)集成了GPS接收模塊、慣導(dǎo)模塊(三軸光纖陀螺)、壓力調(diào)節(jié)器和雷達(dá)高度計(jì)。數(shù)據(jù)可通過光纖和無線(WLAN)兩種方式傳輸?shù)街鄙龣C(jī)艙內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)中。慣導(dǎo)數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波后計(jì)算歐拉角，用來修正梯度數(shù)據(jù)角度。實(shí)測動(dòng)態(tài)飛行時(shí)所有梯度噪聲在4.5 Hz低通濾波條件下可達(dá)10 pT/m以下[15]。該系統(tǒng)吊艙加裝了減震彈性支架，以便在落地過程中保護(hù)傳感器。值得注意的是，相比傳統(tǒng)的三點(diǎn)以上固定方式，該系統(tǒng)承重纜繩僅連接吊艙重心兩側(cè),使用尾部整流筒所受空氣壓力代替該點(diǎn)原有的纜繩來保持平衡。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是飛行器速度變化時(shí)吊艙姿態(tài)不變。

2 航空電磁系統(tǒng)

電磁法測量的直接目的是觀測地質(zhì)體的電阻率和極化率差異,除找礦外，對(duì)水質(zhì)監(jiān)測和地下水勘探也有很好的效果[16-17]。 與磁測系統(tǒng)相似，航空電磁系統(tǒng)歷史也比較悠久，是傳統(tǒng)航空物探中競爭最為激烈的領(lǐng)域[18]。據(jù)2019年的一項(xiàng)統(tǒng)計(jì)[19]，目前國外在運(yùn)營之中的主要航空電磁系統(tǒng)有27種(表1)，其中不包括這些系統(tǒng)的分支系統(tǒng)(如VTEM-MAX,VTEM-PLUS和VTEM-ET等)。近5年來，多家公司對(duì)其時(shí)間域電磁系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，新的構(gòu)型和空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)可以有效降低電磁系統(tǒng)的震動(dòng)噪聲。由于新的分析方法開始普及，電磁法的最終產(chǎn)品除電阻率外也開始提供感應(yīng)極化率[20-22]。

表1 2015～2020年國際上主要電磁系統(tǒng)一覽Table 1 Major airborne EM systems in 2015～2020

雖然頻率域系統(tǒng)的穿透能力和帶寬不及時(shí)間域系統(tǒng)，但由于對(duì)飛行器機(jī)動(dòng)性能影響較小、耗電較少，其發(fā)射線圈不需要采用剛性較差的平面環(huán)形結(jié)構(gòu)，所以在復(fù)雜地形條件下，形變噪聲較低，在山區(qū)和淺層目標(biāo)勘探市場中占有一定份額。

“天電”(又稱天然場源法)是頻率域系統(tǒng)的一種極端應(yīng)用，借助自然發(fā)射源(如雷電在電離層中激發(fā)的電磁波)作為一次場。這類系統(tǒng)有著悠久的歷史，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)也同樣突出。自然源的帶寬是人工源所無法比擬的，這使得“天電”系統(tǒng)理論測深能力極佳。但由于這類系統(tǒng)對(duì)淺層目標(biāo)的分辨率較低且易受人文干擾，對(duì)接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理方法的要求較高。目前天電的普及程度不及其他電磁方法。Expert Geophysics Ltd.的Mobile MT系統(tǒng)是目前航空時(shí)間域和頻率域電磁系統(tǒng)中標(biāo)稱測深能力最強(qiáng)的系統(tǒng)(圖5a)。該系統(tǒng)測量頻率25 Hz～20 kHz，實(shí)測對(duì)深度大于1 km的目標(biāo)也有良好的平面和深度分辨率。Geotech的ZTEM也屬此列，測量頻率30～720 Hz，標(biāo)稱最大探測深度2 km[23]。

圖5 典型頻率域電磁測量系統(tǒng)Fig.5 Examples of “towed-birds” for Frequency domain EM surveys

很多時(shí)間域系統(tǒng)繼續(xù)通過加大發(fā)射磁矩來增加探測深度。CGG的HeliTEM[24-26]在這期間一度可以達(dá)到2×106A·m2。Geotech的VTEM-MAX的最大磁矩值為1.4×106A·m2，優(yōu)化后的VTEM-Plus系統(tǒng)達(dá)業(yè)界最高信噪比，技術(shù)優(yōu)勢相當(dāng)明顯[27-29]。接收系統(tǒng)中，SkyTEM系統(tǒng)[30-31]的采樣率可達(dá)5 MHz，是目前航空時(shí)間域電磁系統(tǒng)公開文獻(xiàn)中列出的最高值[32]。

固定翼時(shí)間域電磁系統(tǒng)的最大發(fā)射磁矩未能打破MEGATEMII系統(tǒng)2010年之前達(dá)到的2.2×106A·m2，但該系統(tǒng)已不再運(yùn)營。目前Spectrem Air的Spectrem Plus系統(tǒng)[33-34]是目前發(fā)射磁矩最大的固定翼時(shí)間域電磁系統(tǒng)(圖6a)。該系統(tǒng)集成在一架道格拉斯DC3旋翼機(jī)上，發(fā)射線圈采用在機(jī)頭、機(jī)翼、機(jī)尾四點(diǎn)固定方式安裝，線圈有效面積420 m2,其方波發(fā)射機(jī)運(yùn)用了并行發(fā)射技術(shù)，飛行作業(yè)時(shí)電流峰值1 800 A，發(fā)射波形為類方波，發(fā)射磁矩0.76×106A·m2,接收線圈使用絞繩拖于飛機(jī)后部，遠(yuǎn)離一次場和飛機(jī)電磁場干擾。

圖6 典型時(shí)間域電磁測量系統(tǒng)Fig.6 Examples of Time domain EM systems

過大的發(fā)射電流和線圈匝數(shù)會(huì)使得發(fā)射波形難以精確控制，下降沿過寬不利于提取反映淺層特征的前期道精確值。有些系統(tǒng)通過發(fā)射多波形電磁波的方式，寄希望于精確控制發(fā)射的小峰值規(guī)則波形[26]，再通過正負(fù)波形疊加求出發(fā)射波下降時(shí)間段的二次場來探測淺層；另一些系統(tǒng)則選擇使用單匝發(fā)射線圈的方式降低線圈自感，從而減少下降沿時(shí)間。如Precision Geosurveys公司運(yùn)行的“1TEM”系統(tǒng)(圖6b)，是Geosolution公司“REPTEM”系統(tǒng)和“HOISTEM”的增強(qiáng)版本，采用單發(fā)射線圈設(shè)計(jì)方式，發(fā)射波形的下降沿時(shí)間僅35 μs。

半航空電磁法指的是將像地面電法一樣將發(fā)射系統(tǒng)(線圈或電極)在地面鋪設(shè)，空中僅負(fù)載接收系統(tǒng)。以Discovery International Geophysics公司的“HeliSAM”系統(tǒng)為例[35-37]，在地面鋪設(shè)Gap Geophysics公司設(shè)計(jì)的地面電法發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射1～10 Hz的方波。一般發(fā)射線圈周長約4 km，磁矩達(dá)到100×106A·m2以上。空中系統(tǒng)集成方式為旋翼機(jī)拖曳吊艙，在地面線圈圍成的區(qū)域附近往返測量飛行。為避免接收線圈的航向噪聲，使用以Gap Geophysics公司的TM-7磁力儀為主的接收系統(tǒng)，直接接收磁總場而非其對(duì)時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)(稱為B-field方法)，采樣率4 800 Hz。TM-7磁力儀是一種專門為快速磁標(biāo)量測量設(shè)計(jì)的磁力儀，RMS噪聲20 pT。通過后期解算，可同時(shí)得到測區(qū)的總磁場強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、二次電磁場和感應(yīng)磁極化率。該接收系統(tǒng)已有無人機(jī)載版本。

3 航空重力系統(tǒng)

重力測量的直接目的是觀測地質(zhì)體的密度差異。地面靜態(tài)重力測量方法由來已久，20世紀(jì)90年代后，動(dòng)態(tài)的航空重力方法開始用于物探領(lǐng)域[38]。

Canadian Microgravity公司的GT-2A是目前市場上最受歡迎的航空重力標(biāo)量測量系統(tǒng)，其他如Sander公司的AirGrav系統(tǒng)等則處于自用狀態(tài)。值得一提的是，iMAR公司在2018年開發(fā)了小型化的重力儀“iCORUS”(圖7)。該系統(tǒng)運(yùn)行功率僅150 W，總重25 kg，其UAV懸掛版本可以減至10 kg。在單獨(dú)使用時(shí)精度在1～3 mGal(濾波半波長2 km)[39]，配合其萬向穩(wěn)定平臺(tái)iDGU-100X后，精度可達(dá)1 mGal。

圖7 iMAR的iCORUS系統(tǒng)Fig.7 iMAR’s “iCORUS” gravimeter

在重力梯度領(lǐng)域[40-43]，21世紀(jì)后研究量子干涉重力儀的機(jī)構(gòu)大多數(shù)精力都轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)物理研究而非礦業(yè)和導(dǎo)航等應(yīng)用上?；贚ockheed Martin公司的專利的Falcon和FTG(重力張量)系統(tǒng)在性能上一直占絕對(duì)優(yōu)勢[44]。緊隨其后的是Gedex Systems的HD-AGG超導(dǎo)重力梯度儀，精度可達(dá)10 E?/Hz1/2以下,目前正在優(yōu)化平臺(tái),以期達(dá)到更好的效果[45](圖8)。2015～2020年間，又有2家新的從事量子干涉重力梯度儀研究的商業(yè)機(jī)構(gòu)成立，分別是美國的AOSense和法國的Muquans，但離航空應(yīng)用還有一段距離。

圖8 典型重力梯度/張量儀器Fig.8 Examples of airborne gravity gradiometers

Falcon系統(tǒng)于2000年前后實(shí)驗(yàn)成功，近年來宣稱經(jīng)過軟硬件技術(shù)改造，其噪聲較初期版本降低了一半，受飛機(jī)顛簸影響很小,HeliFalcon系統(tǒng)在50 m半波長下噪聲水平3 E?以下；與獨(dú)立的低精度sGrav標(biāo)量重力儀組成“Falcon Plus”系統(tǒng)，使用聯(lián)合解算的方法消除積分誤差，150 m半波長下最大噪聲2.2 E?；最新的eFalcon更新了算法，在150 m半波長下分辨率可達(dá)1.0 E?。

FTG系統(tǒng)近年也進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，加強(qiáng)后的eFTG精度達(dá)2.5～4 E?/Hz1/2。并且對(duì)模擬系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化改造。改進(jìn)后的dFTG系統(tǒng)的體積和質(zhì)量較模擬信號(hào)版本分別下降了30%和40%。另外重新設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)與Falcon系統(tǒng)統(tǒng)一了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，核心備件可互換。Bell Geospaec公司發(fā)布了其使用FTG系統(tǒng)的實(shí)測圖件，各方向分量異常形態(tài)清晰，邊界整齊。

業(yè)界翹首以盼的洛克希德·馬丁公司的FTG Plus系統(tǒng)正處于研發(fā)之中，該公司稱此系統(tǒng)將不再需要轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，理論精度可達(dá)到目前Falcon Plus的10倍以上。另外，Rio Tinto公司也對(duì)其VK-1系統(tǒng)報(bào)有進(jìn)入1 E?/Hz1/2精度以內(nèi)的希望[46]。

4 航空伽馬能譜系統(tǒng)

航空伽馬能譜測量的主要目的是通過測量地質(zhì)體內(nèi)核素衰變產(chǎn)生的伽馬射線分析地質(zhì)體的核素含量和構(gòu)成，對(duì)于地層分析[47]和土壤污染監(jiān)測[48-49]有良好的效果。

Radiation Solution公司和Nuvia(原Pico)公司仍然是航空伽馬能譜儀最受歡迎的供應(yīng)商。得益于高速AD/DA芯片的發(fā)展，目前能譜儀所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器頻率可達(dá)60 MHz，使得其計(jì)數(shù)率可以達(dá)到2×105cps以上。

為解決土壤監(jiān)測和超低空測量的需要，多家公司研制了為無人機(jī)設(shè)計(jì)的小型化能譜儀。其中典型的包括Radiation Solution公司的RS-607和Medusa公司的MS系列(圖9)。

圖9 典型無人機(jī)航空伽馬能譜系統(tǒng)Fig.9 Examples of airborne gamma spectrometers on UAV

由于數(shù)據(jù)處理算法的進(jìn)步，晶體能量分辨率的絕對(duì)值對(duì)航空伽馬能譜探測效果的影響較之前略有降低。碘化銫晶體能量分辨率較低，結(jié)晶難度較大，所以長期以來不及碘化鈉晶體使用廣泛。但因其不易潮解，性能更加穩(wěn)定，適用于惡劣環(huán)境，所以在使用全譜線算法之后，又重新受到青睞。據(jù)Medusa公司的測試報(bào)告[50]，其MS4000系統(tǒng)在使用全譜線算法計(jì)算含量后，探測效果幾乎可以媲美四倍體積碘化鈉晶體的直接使用“三窗法”的舊系統(tǒng)。

另外，SKYTEM將Medusa的MS4000(4 L CsI晶體)集成在其SKYTEM-304型TEM吊艙上，由于晶體體積較小，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)測線飛行速度不能超過45 km/h。Geotechnologies-Russia將32 L碘化鈉晶體集成在了其減震能力較強(qiáng)的“EQUATOR”電磁系統(tǒng)吊艙上，是目前唯一集成了時(shí)間域電磁、頻率域電磁和伽馬能譜設(shè)備的吊艙系統(tǒng)(圖10)。

圖10 Geotechnologies-RUS的 EQUATOR 時(shí)間域/伽馬能譜吊艙Fig.10 Geotechnologies-RUS’s “EQUATOR” TEM/Gamma-ray spectrometer towed-platform

5 結(jié)論

航空物探測量技術(shù)不僅是地質(zhì)勘探領(lǐng)域的必須技術(shù)，也與其他關(guān)鍵領(lǐng)域的前沿技術(shù)相輔相成，值得長期投入研究[51-52]。 各種航空物探系統(tǒng)雖然原理大同小異，但對(duì)分辨率、探測深度和效率成本之間的偏向性存在較大差異，集成方法和硬件的選擇要取決于探測目標(biāo)和數(shù)據(jù)處理能力。在機(jī)器學(xué)習(xí)時(shí)代，我國在算法研究上已在世界前列有一席之地[53-54]。相比之前一味面向大尺度、大深度的基礎(chǔ)地質(zhì)問題，重力梯度/張量、磁梯度/張量和電磁方法開始向兼顧淺層空間分辨率的方向發(fā)展。

國外各測量方法領(lǐng)域均出現(xiàn)了無人機(jī)的身影，但新出現(xiàn)的系統(tǒng)大部分暫時(shí)只是用于輔助地面的小測區(qū)測量或在相對(duì)平坦地形飛行，暫時(shí)仍不足以在全產(chǎn)業(yè)支撐起航空領(lǐng)域的大型設(shè)備或新方法的需要，對(duì)航空物探領(lǐng)域發(fā)起革命性的沖擊仍需時(shí)日。相比之下，國內(nèi)對(duì)無人機(jī)測量系統(tǒng)的研究和使用熱情更高。

航空物探方法分支眾多，發(fā)展速度較快，本文引用系統(tǒng)時(shí)僅考慮了單項(xiàng)指標(biāo)而非綜合性能。如果考慮到公開文章中很少提及也較難量化的綜合探測效果、故障率和易維護(hù)性等，很多沒有在文中提及的系統(tǒng)綜合性能也各有其優(yōu)點(diǎn)。

致謝:感謝中國自然資源航空物探遙感中心王金龍高級(jí)工程師、段樹嶺教授級(jí)高級(jí)工程師、程懷德教授級(jí)高級(jí)工程師及各測量方法研究項(xiàng)目組對(duì)本文研究給予的指導(dǎo)和支持。