航空地球物理裝備研發與技術發展回顧

孟慶敏, 李軍峰, 肖 都, 胥值禮, 廖桂香,崔志強, 西永在, 黃 威, 賁 放

(1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000;2.自然資源部地球物理電磁法探測技術重點實驗室，廊坊 065000;3.國家現代地質勘查工程技術研究中心，廊坊 065000)

0 引言

航空地球物理勘探(航空物探)是以飛行器作為搭載工具開展地球物理勘查的技術方法，通過對采集的地下介質的地球物理信息進行解譯，研究地下構造，地質體分布，解決基礎地質及礦產、環境等問題，具有快速、高效、應用領域廣、不受地面因素限制等優勢，可在高山、湖泊、沼澤、森林等地面人員無法進入的區域開展工作[1-3]。作為“十四五”及國家遠景目標推動地質調查工作轉型升級的重要技術手段，航空物探在保障我國自然資源安全、建成地球系統科學理論與探測技術體系、查明區域重大資源環境問題、實施國家重大工程建設安全評價等方面有著重要的支撐作用。

第二次世界大戰期間，為了探測潛艇，將磁力儀安裝在飛機上進行測量，航空物探由此誕生[4]。此后，1944年至上世紀50年代末，航空放射性測量，航空電磁法測量，航空重力測量相繼開展。從上世紀80年代開始，航空物探在礦產普查、區域地質調查、水文地質調查、工程地質勘查等方面發揮了重要作用。我國航空物探工作起步于20世紀50年代，1959年，作為我國最早研究開發航空物探測量系統的單位之一，物化探所聯合航空物探隊等8家單位聯合研究航空電磁測量系統，研發了長導線半航空電磁測量系統，從此拉開了國內航空物探研究的序幕[5]。從1959年到2006年，航空物探研究的重點是研發航空電磁測量系統，同時集成航磁，形成航空物探(電/磁)綜合測量系統。上世紀70年代物化探所成功研發了固定翼頻率域航空電磁測量系統，后改進定型為HDY-302型航空電磁儀，與航空磁測系統共同安裝于Y11飛機上，形成Y11航空物探(電/磁)綜合測量系統。該系統是上世紀我國唯一的自主研發航空物探綜合測量系統，在山東、安徽、吉林、遼寧、河北、江西、江蘇等地完成了超過16×104測線千米的測量，在金礦普查、淺層水資源調查、基礎地質調查等方面效果顯著；1997年物化探所研發了三頻航空電磁測量系統，與航磁系統一起安裝在Y11B飛機上，組成Y11B航空物探(電/磁)綜合測量系統。2001年，系統再次升級，形成Y12航空物探(電/磁)綜合測量系統，在甘肅和吉林進行了淺層水資源調查，成效顯著。頻率域航空電磁系統具有安全、測量效率高等優勢，但探測深度相對較淺[6-10]。

圖1 Y12航空物探(電/磁/放)綜合站Fig.1 Y12 airborne geophysical (electromagnetic/magnetic/gamma spectrometer) complex station

“十一五”以來，經濟社會迅猛發展，作為重要支撐，國家對水資源、礦產、油氣等自然資源的需求日益增大，環境監測、災害預警等領域也亟需完善，故而創新驅動新型地質環境探測裝備的研發勢在必行。2006年至2021年，國家啟動國家高技術研究發展計劃(863計劃)以及國家重點研發計劃均對航空地球物理勘查技術與裝備研發進行了大力支持，研發成功了iFTEM固定翼時間域航空電磁測量系統，并開展了試生產工作，各項技術指標均達到或超過國外同類系統的先進水平，探測深度、數據噪聲水平滿足實用化需求，為我國目前唯一的固定翼時間域航空電磁測量系統[11-15]。與此同時，直升機時間域航空電磁系統以及國產有人機、無人機航磁系統也成功研發。2007年～2008年，在地質調查項目的支持下，以三頻航空電磁系統為主，集成航磁、航放于Y12飛機上，組成Y12航空物探(電/磁/放)綜合測量系統，在內蒙開展了大面普查工作，取得了顯著的地質效果[16-22]。此外，近15年來，物化探所還在國內首次引進并集成了直升機航空物探(磁/放)綜合測量系統，該系統適合復雜地形條件下開展航空物探測量，引領了我國直升機航空物探綜合測量的先河[23-25]；研發了基于中型無人機的航空物探(磁/放)綜合測量系統，并進行了大面積測量工作，在油氣盆地基礎地質調查中發揮了重要作用[26-28]；除系統研發和綜合測量外，數據處理方法技術研究以及軟件平臺研發也取得了豐碩成果[29-33]。

這里以物化探所航空物探裝備研發、數據處理與解釋、應用領域等為切入點，簡要介紹近15年航空物探領域取得的技術創新與突破，應用成果與進展，并對航空物探的未來發展進行了展望。

1 頻率域航空電磁測量系統和Y12航空物探(電/磁/放)綜合站

1.1 儀器裝備研發進展

自上世紀70年代，我國先后成功自主研發單頻、雙頻、三頻等HDY系列頻率域翼尖硬架航電系統。2000年以來，HDY-402三頻航電系統與航磁、航放組成Y12航空物探多參數測量綜合站，廣泛應用于區域地質調查、巖性填圖、多金屬礦產勘查、淺層水資源調查、土壤鹽漬化調查等方面，并在吉林白城、內蒙古二連浩特-東烏旗等地區完成了超過52×104km的勘查工作，取得了較好的地質效果[3,10]。

1.2 系統應用成果

電/磁/放航空物探綜合站是航空電磁、航空磁法和航空伽瑪能譜三種方法的綜合，多參數測量可以提高航空地球物理地質解釋效果，尤其在研究區域地質構造、圈定斷裂帶、火成巖體、進行巖性構造填圖以及開展鐵、有色金屬等成礦預測方面效果顯著。Y12航空物探(電/磁/放)綜合站自應用以來，編錄航電異常近500個，航磁異常近5 000個，航放異常一百余個，劃分線性構造六百余條，環形構造近100個，圈定隱伏巖體壹佰八十余個，劃分各類找礦遠景區一百余個，各類找礦靶區一百二十個。圖2是根據航空物探綜合測量篩選出的航電異常，經地面查證表明該異常帶是含礦化斷裂破碎帶的反映。鹽漬化與地下水關系密切，圖3是吉林白城航電推斷土壤鹽漬化圖，含鹽量越高，電性越好，反之亦然[6-7]。

圖2 內蒙某區航空電磁異常綜合剖析圖Fig.2 Comprehensive analysis map of airborne electromagnetic anomaly in a region of Inner Mongolia(a)頻率域航電綜合曲線圖;(b)地質背景

圖3 白城航空電磁推斷鹽漬化程度圖Fig.3 Degree of salinization inferred by airborne electromagnetic in Baicheng

圖4 iFTEM-Ⅱ固定翼時間域航空電磁系統Fig.4 iFTEM-II Fixed-wing time domain electromagnetic system(a)系統整備狀態;(b)接收吊艙;(c)數據收錄系統;(d)隔離高壓電源與發射機

圖5 內蒙古興安盟地區某測線電阻率反演及地質解譯剖面圖Fig.5 Resistivity inversion and geological interpretation profile of a survey line in Hinggan League, Inner Mongolia(a)電阻率深度反演圖;(b)地質解譯圖

圖6 直升機航空物探(磁/放)綜合測量系統Fig.6 Helicopter airborne geophysical (magnetic/ gamma spectrometer) integrated survey system(a)儀器柜背板插口;(b)導航軟件界面;(c)銫光泵磁力儀;(d)直升機航空物探綜合測量系統;(e)儀器操作面板;(f)地面測試;(g)航磁探桿支架

圖7 直升機航空物探(磁/放)綜合調查成果Fig.7 Comprehensive results of helicopter airborne geophysical (magnetic/ gamma spectrometer) survey(a)航磁ΔT等值線平面圖;(b)航空伽馬能譜總量等值線平面圖;(c)航空物探推斷巖性構造圖;(d)航磁ΔT化極圖;(e)巖體三維反演圖

2 時間域航空電磁測量系統

2.1 儀器裝備研發進展

頻率域航空電磁法對于埋藏較淺的目標體具有較強的分辨能力，但是探測深度較淺，薄層探測能力弱，不能滿足當下深地探測目標的需求，亟需時間域航空電磁的研發。因研發技術難度大，涉及學科廣，專用化程度高，西方國家長期對我國進行技術封鎖和設備禁賣。在2006年和2012年國家863計劃的支持下，經過十余年的創新研發，于2015年研發了iFTEM-Ⅰ型固定翼時間域航空電磁系統并開展了2 000測線千米的科研試飛，但是由于其有效勘探深度和單架次續航能力需要進一步完善以滿足實用化需求，2017年，在國家重點研發計劃的支持下，在iFTEM-Ⅰ型系統基礎上，突破了瞬時千安級多波脈沖發射、動態強干擾下微弱信號提取、復雜氣動外形飛行器改裝與試飛、數據精細化處理及三維正反演等技術難題，研發了iFTEM-Ⅱ型固定翼時間域航空電磁系統，關鍵性能指標超過國外同類型系統，核心部件全部實現自主設計和國產化,探測深度超過650 m，噪聲水平優于2n T/s,在基礎地質、水文地質調查示范應用中取得明顯成效,填補了我國固定翼時間域航空電磁探測技術裝備空白[34-37]。“十三五”期間，我國自主研制的直升機時間域航空電磁系統和航空大地測量系統也完成了試驗飛行[38]。

2.2 系統應用成果

時間域航空電磁系統在區域性基礎地質調查、地下水資源勘查、重要金屬礦產普查、生態環境與災害調查等方面能發揮重要作用，能夠為快速解譯地質構造、識別含水層結構、圈定多金屬成礦遠景區、劃分土壤鹽漬化等提供技術支撐。iFTEM-II固定翼時間域航空電磁系統2021年在吉林白城-松原、內蒙古興安盟等地區開展了航空電磁測量工作。在淺部，清晰刻畫了含水層、隔水層等結構變化，與已有水文地質資料高度吻合，新圈定了富水有利區域；在深部，解譯了800 m以淺白堊紀地層電性結構及活動斷裂空間展布，與已知鉆孔、測井資料對應良好。應用成果有效支撐了松嫩平原山前地帶地質構造復雜區和低平原區基礎地質、水文地質調查工作[39-40]。

3 航空物探(磁/放)綜合測量系統

3.1 儀器裝備研發

2010年，物化探所在國內首次引進并集成了直升機航空物探(磁/放)綜合測量系統。通過技術創新，掌握了包括航空磁/放集成技術、安裝調試及飛行技術、磁干擾動態補償、數據處理及解釋在內的整套方法技術。此后，通過調查實施，直升機航空物探(磁/放)綜合測量技術成為國內地形復雜區基礎地質調查、礦產地質普查主要的航空物探方法技術[41]。

3.2 系統應用成果

近十年來，運用該測量系統完成了大面積的高精度調查任務，先后在湖南、貴州、江西、陜西、甘肅等地多個重要成礦區帶完成了逾50×104測線千米的調查任務。該系統具分辨率高、地形適應能力強、機動靈活等優點。高質量測量成果展示出相關地質構造的新信息，新發現與礦化、隱伏巖體或構造相關的航磁、航空伽瑪能譜異常數百處，圈定數十個找礦有利遠景區和靶區。經初步查證，新發現多處找礦有利礦化蝕變線索，為成礦帶基礎地質研究和礦產勘查提供了高質量的地球物理資料，獲得了廣泛認可[23-24]。

4 無人機航空物探綜合測量系統

近十五年來，國內無人機航磁測量技術研究方面取得了一系列重要成果。物化探所在無人機航磁改裝與系統集成，數據處理與軟件平臺開發等方面取得了重要成果。

4.1 無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統

2013年～2015年，基于國產彩虹3(CH-3)中型固定翼無人機，研制了國內首套實用化的中型無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統，實現了我國實用化無人機航空物探綜合測量系統從無到有的轉變，取得了顯著的社會經濟效益。突破了無人機平臺改裝、遠程測控、超低空隨地起伏飛行、三維航跡規劃、數據處理技術等關鍵技術。系統具有長航時、全夜航、精準測控等優勢，可安全、高質、高效地完成大規模航磁測量任務。完成了國內外油氣、礦產資源無人機航空物探調查任務總計約26×104測線千米，取得了高質量的航空物探測量數據和很好的地質效果。該系統曾分別獲得2013年中國地質學會十大地質科技進展獎、2013年中國地質科學院十大科技進展獎[27,42-43]。

圖8 CH-3中型無人機航空物探測量系統Fig.8 CH-3 Aeromagnetic measurement system for medium UAV(a)無人機航空物探測量系統;(b)地面測控站;(c)飛行狀態

4.2 小型無人機航磁測量系統

由于小面積精細航空磁法測量的需求不斷增加，自2017年起，在CH-3固定翼無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統成功研發的基礎上，精準把握市場方向、主動拓展技術領域，迅速開展了更加靈活的、基于垂直起降無人機平臺的航磁測量系統研究，成功研制了小型化航磁收錄系統，研發了無人直升機、復合翼無人機和多旋翼無人機航磁測量系統，完成近2 000 km的試生產飛行，取得了高質量的測量數據[44]。

圖9 CH-3無人機和Y12有人機航磁測量效果對比圖Fig.9 Comparison of aeromagnetic measurement effect between CH-3 UAV and Y12(a)CH-3無人機航磁ΔT等值線圖;(b)Y12有人機航磁ΔT等值線圖

圖10 自主研發小型航磁收錄系統Fig.10 Self-developed small aeromagnetic collection system

圖11 多種小型無人機平臺的航磁測量系統Fig.11 Aeromagnetic measurement system for a variety of small UAV platforms(a)iHUAM無人直升機航磁測量系統;(b)iHVUAM無人復合固定翼航磁測量系統

圖12 基于oasis montaj 平臺的航空物探(磁/電/放)數據綜合處理軟件系統Fig.12 The integrated processing software system of airborne geophysical (magnetic/electrical/gamma spectrometer) data based on oasis montaj platform

圖13 自主開發的航跡規劃及數據處理平臺Fig.13 Independently developed platform for track planning and data processing(a)航跡規劃;(b)飛行高度設計;(c)航磁補償曲線圖

圖14 固定翼時間域航空電磁數據處理軟件系統Fig.14 Fixed wing time domain airborne electromagnetic data processing software system

這些小型化無人機平臺的航磁系統，既具有固定翼無人機飛控精度高、全天時作業、成本低、人員安全等優點，又具有垂直起降能力，運輸極為方便，只需兩名飛控員即可開展工作，野外飛行作業十分靈活，可以作為有人機和滑跑中大型無人機航空地球物理測量系統的有效補充，特別是在中小面積詳查方面具有很好應用前景。

5 航空物探數據處理和軟件平臺

5.1 航空物探(磁/電/放)數據綜合處理軟件

2010年～2012年，基于加拿大Geosoft公司Oasis montaj軟件平臺，研發了實用化的航空物探(磁/電/放)數據綜合處理軟件系統，形成了一套較完善的航空物探數據處理技術體系。系統具備航磁、頻率域航電、航放數據批處理功能，在多個航空物探項目中得到了廣泛應用，累計完成了超過90×104測線千米航空物探調查數據綜合處理，取得了高質量基礎成果數據。系統應用效果顯著，對提高海量數據處理解釋的質量和效率起到了重要作用[45-54]。

此外，針對無人機在起伏地形環境的自主飛行、以及航磁數據的快速處理等需求，在Geosoft軟件平臺上二次開發了一系列具有自主知識產權的無人機航空地球物理綜合處理平臺。

5.2 自主研發航空物探大數據處理軟件平臺

2017年-2021年，物化探所自主研發了航空物探數據處理軟件平臺，打破了長期依賴國外軟件平臺的局面，在大數據支撐方面具有獨特優勢。采用面向對象數據庫技術，突破了大數據存儲、顯示和處理瓶頸，實現了海量、多樣數據(多類型/多采樣率)統一存儲管理和可視化展示，解決了數據存儲格式不統一、數據管理混亂、數據存取效率低下等問題。該平臺已成功應用于固定翼時間域航空電磁數據處理軟件系統，取得了顯著應用效果。

數據處理方面，針對固定翼時間域航空電磁系統數據特點，攻克了多源噪聲壓制、背景場去除、疊加抽道、姿態校正等技術難題，形成了數據預處理技術流程，突破大數據存儲、處理、顯示的瓶頸，創新研發了時間域航空電磁數據處理平臺，顯著提高了數據處理效率，噪聲水平優于2 nT/s，為系統實現大深度探測及精細化解譯地下電性結構提供了必備前提[55-63]。正反演方法技術方面，國內大量學者進行了航空電磁正反演理論與應用研究，在推進航空電磁數值模擬技術，裝置參數設定，反演解釋實用化等方面起到重要推動作用[64-66]。

6 總結與展望

近15年來，物化探所研發了具有世界先進水平的固定翼時間域航空電磁測量系統，并在方法技術研究、數據處理和綜合解釋等方面取得積極進展，已經形成了實用化的測量系統；在自主研發的三頻航空電磁測量系統的基礎上，集成了航磁、航放，形成了固定翼航空物探(電/磁/放)綜合測量系統，并進行了大量飛行測量，地質效果突出；在國內首先研發成功基于直升機的航空物探(磁/放)綜合測量系統，并在全國推廣，成為復雜地形條件下航空物探綜合測量的標配；研發成功了基于CH-3中型無人機的航空物探(磁/放)綜合測量系統并開展了油氣資源集成調查；研發成功了輕量化航磁測量系統并安裝在無人機直升機、復合翼無人機、多旋翼無人機等多種小型無人機平臺，形成了適合不同條件的無人機航磁測量系統。針對上述航空物探方法，研發了具有自主知識產權的數據處理和軟件平臺。

航空物探作為推進自然資源勘查前沿技術發展的重要方法技術，對于支撐經濟社會發展、資源與環境開發與監測、地質災害監控預警等領域有著重要發展前景，為了更好適應不同的需求，儀器裝備方面，應以現階段研究成果為基礎，根據國家及市場需求，將進一步集成創新研究，形成航空電、磁、重、放綜合測量裝備，繼續開發直升機、無人機、主動源、被動源等綜合系統，降低勘查成本，提高系統可靠性，擴展應用領域。數據處理與解釋方面，進一步豐富數據去噪與校正方法技術手段，提高數據信噪比，聯合處理反演多種航空地球物理數據，降低多解性，提高數據處理精度，并利用綜合地質建模等方法技術研究，提高數據處理與解釋水平；應用領域方面，進一步拓展應用領域，開展區域性基礎地質調查、地下水資源勘查、重要金屬礦產普查、生態環境與災害調查等，為快速解譯地質構造、識別含水層結構、圈定多金屬成礦遠景區、劃分土壤鹽漬化等提供高新技術支撐。