現行三類平臺航磁勘查系統特點及勘查效果評述

崔志強， 胥值禮， 孟慶敏， 高衛東

(中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

?

現行三類平臺航磁勘查系統特點及勘查效果評述

崔志強， 胥值禮， 孟慶敏， 高衛東

(中國地質科學院 地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000)

航磁勘查系統是航空磁力儀器與飛行器的結合體，其經濟高效的特點，已獲得了廣泛地認識。以固定翼、直升機、無人機為平臺構成的航磁系統，是現行三類主要的航磁勘查系統。這里分別描述了這三種平臺航磁勘查系統的自身特點，介紹了各自的優越性和存在的不足。又從各自獲取的測量數據質量方面和不同系統在同一地區的成果進行詳細比對，分析了各系統的適應性。為今后開展航磁勘查工作中，根據項目實際條件，正確合理的選擇不同平臺構建的航磁勘查系統提供參考，能提高工作效率，獲取更高質量的原始數據。

航磁勘查系統； 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備裝載在飛行器上，在測量地區上空按照預先設定的測線和高度，對地磁場強度或梯度進行測量的地球物理方法。現在航磁測量是基礎性和公益性地質調查、戰略性礦產勘查的重要手段，是地質勘查現代化的標志，在國民經濟建設中發揮著重要作用，可為礦產資源與油氣資源調查評價、海洋地質調查、地下水勘查、工程地質、基礎地質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體的磁場特征。

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

1 不同平臺的航磁勘查系統特點

固定翼航磁勘查系統歷史悠久，航空物探最早是從固定翼飛機平臺發展而來，經歷了多個階段，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

運12型飛機屬于小型運輸機，內部空間大，其固定翼尖和尾翼都可作為磁測儀器安裝部位，同時兼備低空飛行能力[6]。因此現在作為多種航空物探技術的首選飛行平臺，該類航磁系統主要具有以下特點，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，通常總重量達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，其寬大的內部空間，穩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動機及螺旋槳產生的電磁渦流干擾。而且現在高精度航磁系統還包括雷達高度儀、GPS導航天線等，這些設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保持飛行姿態穩定或緩慢流暢的變化對獲取高質量航磁數據也至關重要。現在以Y12型飛機為代表的固定翼飛機具有飛行控制能力較強，飛行姿態穩定、飛行速度較低、適應低空飛行，這都滿足了航磁測量的規范要求；④航磁勘查較地面磁測的優勢是快速高效，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也具有一些不足之處，①必須借用現有機場起降，起降航空協調難度大；②機場到測區的無效航路時間多，增加了成本，降低了工作效率；③深切割山區，飛行高度控制難度大，難以達到規范要求；④長時間低空飛行空乘人員容易疲勞，產生安全隱患；⑤不宜在小面積范圍內開展大比例尺勘查工作等。

直升機航磁勘查系統，從上個世紀八-九十年代開始有使用。現今以小松鼠B3型航磁勘查系統最為典型，選用其組合成為航磁勘查系統，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據質量至關重要，特定的飛行大比例尺需要在特定的飛行高度范圍內開展工作[7]。降低飛行速度能夠提高數據點采樣密度，從而發現更小的異常。大角度轉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；②可搭建臨時起降點，不需要借用機場。可在測區內或周圍就地起降，能夠根據工作進度不斷的變換基地，減少航路開銷。特別是在重點區域開展小面積的大比例尺高精度測量方面優勢尤為明顯。

圖2 小松鼠B3型直升機航磁勘查系統

源于直升機的特性，其作為航磁勘查系統也存在一些不足，如體積小、內部空間狹窄，可提供的儀器安裝方案少，現最常用的是采用安裝硬質探桿，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生較強的震動，另外，較長的硬質探桿在飛行中也會受氣流影響產生晃動，在測量數據上表現為數據噪聲較大、數據處理及調平工作量加大等。

無人機航磁勘查系統是近年剛發展起來的，國內最早無人機航磁系統出現于2010年，最初是應用航模改裝的航模型無人機，2013年才開始進入真正的無人機航磁勘查系統研發與應用[8]。現成功完成區域性測量的是，由物化探所聯合中國航天空氣動力技術研究院研制的彩虹-3型中型無人機航磁勘查系統(圖3)。

圖3 彩虹-3型無人機航磁勘查系統

開展無人機航磁勘查系統研究，主要緣于其費用低、效率高、可預期的高精度數據、低噪聲水平、高空間分辨率以及無人員傷亡等優勢。鑒于這些優點，無人機航磁系統的研發力度和進展非常大。現今已先后攻克了無人機航磁勘查系統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，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生的電磁干擾信號，以及海事衛星遠程測控技術，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保障。這些關鍵技術的成功，大大提高了無人機航磁勘查系統的數據質量和開展勘查工作的優勢。

其不足之處，受現今民用無人機的自主導航技術限制，主要表現在障礙物的自動識別及規避、沿地形起伏的三維航線適時自動規劃、鏈路通視技術、數據加密保護及傳輸以及制定標準化的工作流程等方面還需要進一步開展研究工作。

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、采樣率以及導航定位精度都相同，上述三類航磁勘查系統獲取的航磁數據具有各自的特點，勘查效果也存在一定的差異，這主要緣于系統平臺本身的特點所致。我們從使用這三類航磁勘查系統所獲取的數據分別介紹它們的數據特點，和同一地區不同勘查系統之間數據的對比。

需要特別說明，由于各系統的磁補償精度和測區地形情況是影響原始測量數據質量的重要因素。因此分別介紹一下各類系統航磁補償精度和測區地形情況。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，位于內蒙境內某沙漠平原區；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，位于湖南境內某低山區；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，補償動作標準，補償精度高)，位于黑龍江境內某丘陵區。三個測區的測量比例尺均為1∶50 000，測線間距為500 m。數據均是各架次數據進行各項校正后匯總，繪制的調平前原始數據(a)和調平后成果數據(b)的對比圖。

從整體來看，原始數據質量從直升機、固定翼到無人機越來越好，特別是無人機航磁系統原始數據與成果數據基本一致(圖6)，除了背景場有細微變化，局部異常細節基本相同，甚至難以分辨那個是原始數據，調平前總精度為2.50 nT，調平后總精度更是在1.77 nT，完全滿足現有航磁規范小于3 nT的要求。而固定翼和直升機的原始數據均不同程度地存在沿測線方向的不規則條帶干擾，圖4顯示的Y12固定翼航磁原始數據條帶較弱，只在磁場低緩區域條帶反映明顯，其原始數據總精度為7.52 nT，調平后為2.45 nT。而圖5的直升機航磁數據條帶最為嚴重，調平前磁場區域場面貌較模糊，異常不清晰，其數據調平前后總精度分別為22.57 nT和2.14 nT。雖然通過切割線調平及二維精細調平后數據質量都能滿足現行航磁規范要求，但從調平前和調平后的改善率不難看出，直升機系統的原始數據質量較差，數據調平難度大、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生的較大渦流在不同飛行方向產生的干擾磁場所導致的。而且直升機系統的硬架探桿較長，飛行過程中的擺動和高頻震蕩強烈，產生規則干擾和隨機干擾，使原始數據噪聲水平較大，增加了調平難度。

圖4 Y12固定翼航磁原始數據與調平后數據對比圖

圖5 小松鼠B3直升機航磁原始數據與調平后數據對比圖

圖6 彩虹-3型無人機航磁原始數據與調平后數據對比圖

從同一地區不同航磁勘查系統成果數據的對比，能更直觀地反映出各系統的勘查效果。圖7展示了南方某鎢錫鉬鉍多金屬礦床上早期Y12型固定翼航磁系統和近期小松鼠B3直升機航磁系統勘查成果的剖面平面對比圖(成圖參數一致)。可以明顯看出，直升機航磁系統的成果數據中顯示的局部異常更多、強度更大，蘊含的地質及找礦信息更加豐富。而這都源于直升機勘查系統的平均地速是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，要獲得高質量的數據，除了采用較高的采樣率，還應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勢。

圖8是Y12型固定翼和彩虹-3型無人機航磁勘查系統在北方某銅鉛鋅礦床上的勘查成果對比圖(成圖參數相同)。無人機系統在該礦區完成了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(儀器狀態及精度與圖6相同)。固定翼系統(儀器狀態及精度與圖4相同)的飛行高度為100 m，飛行速度為220 k/h。總體上看，無人機系統數據質量與同期開展的Y12型固定翼航測成果相當，甚至更好。兩圖中對比標注的三個橢圓形區域顯示，在固定翼系統成果資料上反映很弱甚至沒有，一定程度上表現出無人機航磁優于固定翼測量成果，并且本次無人機航磁系統是在夜間完成飛行，有效地降低了來自地面礦山采礦電磁干擾，有人機無法實現夜間飛行。與有人機相比，無人機沿設計測線飛行的導航完全靠計算機進行，導航定位能力更強，飛行姿態更加穩定，更適宜開展小面積大比例尺的重點成礦區段的勘查任務。

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域重新開展無人機系統的對比試驗，但從無人機與固定翼系統和直升機與固定翼系統勘查成果的對比中，已經能夠較為清晰地反映出這三種平臺的航磁系統特點及其勘查效果。

3 結論

隨著科技地不斷進步和地質找礦地不斷深入，對地質勘查技術的要求也越來越高，工作的地區條件也越來越艱苦。航空磁測作為一種快速經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都有自身的特點，要高效、安全、高質量的獲取原始數據，完成既定目標任務，應綜合考慮探測目標體、測區的位置、地形條件等，制定測量比例尺、測量精度、飛行高度、飛行方法等技術方案，進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驗，有以下基本規律：① 在小面積開展大比例尺、高分辨率、高精度的地質詳查工作時，可選擇直升機和無人機系統，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、高原、荒漠無人區、中高山區等地，開展面積性的中-大比例尺的高精度航磁勘查工作，可選用性能優越的固定翼飛機或直升機為平臺的勘查系統，固定翼系統雖然需要固定的機場，但其總裝及控制技術難度較低，系統更穩定。直升機系統雖然航程較短，但在實際工作中可以根據測量進度，不斷變化作業基地，以提高工作效率，雖然直升機系統較固定翼系統成本稍高，但能獲取細節更加豐富的原始數據，對找礦工作更為有利。

近年來隨著通用航空產業的發展及戶外極限運動的興起，航空物探不斷嘗試應用動力滑翔翼、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。相比而言，這些平臺的勘查效率很低，飛行穩定性差，數據噪聲大，不利于開展大比例尺的高精度測量工作。

今后的的地質礦產勘查工作將向攻深找盲、高精度高分辨率方向發展。航空物探作為地質找礦先行者，其技術也將向著提高對探測目標的分辨能力和探測深度的方向發展。航空物探的進一步發展，將為國民經濟建設作出更大貢獻。

[1] 熊盛青.發展中國航空物探技術有關問題的思考.中國地質，2009，36(6):1366-1374. XIONG SH Q.The strategic consideration of the developmentof China's airborne geophysical technology.Geology in China,2009,36(6):1366-1374.(In Chinese)

[2] HITOSHI MORIKAWA,SATOSHI TOKUE,YUMIKO OGURA. A development of airborne survey of gravity and magnetics on an unmanned helicopter and its data processing. Japan Geoscience Meeting,2013.

[3] SHIN'YA SAKANAKA, MINORU FUNAI, HIGASHINO SHIN-ICHIRO, et al. Aeromagnetic survey by a small unmanned airplane over northern part of Deception Island. Japan Geoscience Meeting,2013.

[4] BAOGANG ZHANG, ZIQI GUO,YANCHAO QIAO. A simplified aeromagnetic compensation model for low magnetism UAV platform, 2011 IEEE, IGARSS 2011.

[5] 楊光慶，石青云，于百川.中國航空物探的現狀和發展.地球物理學報，1994,37(1)：367-377. YANG G Q,SHI Q Y,YU B CH.Status and development of airborne geophysical exploration in China.Acta geophyscial sinica, 1994,37(1)：367-377.(In Chinese)

[6] 李飛，孟慶敏，丁志強,等.Y-12航空物探綜合站野外飛行工作中一些重要問題的探討.地質與勘探，2011,37(3)：423-431. LI F，MENG Q M，DING ZH Q，et al．On some issues of the Y一12 airborne geophysical in tegrated system during survey flights．Geology and Exploration，2011，47(3)：423-431. (In Chinese)

[7] 熊盛青，于長春，王衛平,等.直升機大比例尺航空物探在深部找礦中的應用前景.地質科學進展.2008,23(3):270-275. XIONG SH Q，YU CH CH，WANG W P，et al. Large scale aero geophysical survey with helicopter and its appfication to deep ore prospecting. Advances in earth science. 2008,23(3):270-275. (In Chinese)

[8] 李軍峰，李文杰，秦緒文,等.新型無人機航磁系統在多寶山礦區的應用試驗.物探與化探，2014,38(4)：846-850. LI J F，LI W J，QIN X W，et a1．Trial survey of a novel UAV-borne magnetic system in the Duobaoshan ore district.Geophysical and Geochemical Exploration，2014，38(4)：846-850．(In Chinese)

[9] 薛典軍.航磁測量中飛行高度質量控制方法技術.物探與化探.2001,25(4)：253-258. XUE D J. The technique for controlling flying altihjde quality in aeromagnetic survey. Geophysical and Geochemical Exploration.2001,25(4)：253-258. (In Chinese)

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

中國地質調查局項目(12120115039501)；中國地質調查局項目(1212011087006)

崔志強(1981-)，男，碩士，從事航空物探技術及研究工作，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