無(wú)人機(jī)在地球物理探測(cè)中的應(yīng)用

于顯利，劉順安，劉佳琳

(1.吉林大學(xué)地球探測(cè)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130026；2.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

無(wú)人機(jī)是一種不載人的、可重復(fù)使用和具有自主飛行能力的飛行器，具有遙控和自主飛行兩種飛行模式[1]。無(wú)人機(jī)一般由機(jī)體骨架、動(dòng)力系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。根據(jù)無(wú)人機(jī)搭載任務(wù)載荷尺寸和重量的不同，可以分為微型、小型、中型、大型、超大型無(wú)人機(jī)。無(wú)人機(jī)具有的優(yōu)點(diǎn)包括體積小、重量輕、可以在復(fù)雜地形起飛(發(fā)射)和著陸(回收)；可以搭載多種任務(wù)載荷在空中長(zhǎng)時(shí)間飛行，可以執(zhí)行繁瑣的、重復(fù)性很高的飛行任務(wù)；可以在非常危險(xiǎn)的環(huán)境下飛行；最重要的是不會(huì)造成人員的損失。正是由于無(wú)人機(jī)具有的這些優(yōu)點(diǎn)，所以目前無(wú)人機(jī)廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害預(yù)防與處理[2-3]、農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測(cè)[4-5]、林業(yè)資源監(jiān)測(cè)[6]、科學(xué)觀(guān)測(cè)[7-8]、公安邊防、海事、石油、電力等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5]使用小型無(wú)人機(jī)直升機(jī)對(duì)農(nóng)田生長(zhǎng)情況進(jìn)行觀(guān)測(cè)；文獻(xiàn)[7]使用四旋翼無(wú)人機(jī)對(duì)山體滑坡現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行科學(xué)觀(guān)測(cè)；文獻(xiàn)[8] 利用小型固定翼無(wú)人機(jī)對(duì)移動(dòng)冰川進(jìn)行監(jiān)測(cè)。然而，這些應(yīng)用大多是地表層面的無(wú)人機(jī)遙感應(yīng)用，無(wú)人機(jī)對(duì)地殼及其地球深部物理探測(cè)方面的應(yīng)用，從國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)來(lái)看，介紹的不多。

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，我國(guó)現(xiàn)有資源已經(jīng)很難滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需求，所以迫切需要尋找新的礦產(chǎn)資源。然而，我國(guó)地域遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，很多有用的礦產(chǎn)資源大多分布在人跡罕至的山區(qū)、峽谷等區(qū)域。由于山區(qū)地形復(fù)雜，交通不便甚至沒(méi)有交通，導(dǎo)致地面物探工作往往很難開(kāi)展。缺少飛行平臺(tái)是目前我國(guó)進(jìn)行復(fù)雜地形條件下物探數(shù)據(jù)獲取的主要瓶頸之一，而無(wú)人機(jī)技術(shù)的眾多特點(diǎn)，正好可以滿(mǎn)足這些需求。近年來(lái)，國(guó)際航空物探飛行平臺(tái)已有從傳統(tǒng)的有人機(jī)向無(wú)人機(jī)發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，航空物探測(cè)量設(shè)備的性能是否達(dá)到工作要求，也是限制無(wú)人機(jī)應(yīng)用于地球物理探測(cè)的一個(gè)重要因素。如果探測(cè)設(shè)備的性能參數(shù)達(dá)標(biāo)，那么無(wú)人機(jī)在地球物理探測(cè)上的應(yīng)用，將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 無(wú)人機(jī)在地球物理探測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在地球物理探測(cè)中，無(wú)人機(jī)作為一種適用于復(fù)雜地形條件下,高效率、高精度采集空間位場(chǎng)數(shù)據(jù)的重要手段，用來(lái)揭示地下位場(chǎng)場(chǎng)源分布規(guī)律。無(wú)人機(jī)通過(guò)搭載不同的任務(wù)載荷(磁力儀、重力儀、重力梯度儀、放射性探測(cè)儀、電磁線(xiàn)圈等)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)人機(jī)航磁、航重、航放、航空電磁的地球物理探測(cè)應(yīng)用。目前，無(wú)人機(jī)地球物理探測(cè)技術(shù)屬于國(guó)際前沿技術(shù)和研究熱點(diǎn)，只有美國(guó)、英國(guó)、以色列、加拿大、德國(guó)、法國(guó)等少數(shù)發(fā)達(dá)國(guó)家掌握其核心技術(shù)。

1.1 國(guó)外主要應(yīng)用

國(guó)外已經(jīng)將無(wú)人機(jī)技術(shù)廣泛地應(yīng)用到地球物理探測(cè)中的各個(gè)領(lǐng)域，并取得了良好效果，很大程度上提高了科學(xué)研究質(zhì)量。這些對(duì)中國(guó)的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，具有很好的借鑒作用。

英國(guó)的Magsurvey Limited公司提供無(wú)人機(jī)對(duì)地球磁場(chǎng)的探測(cè)服務(wù)。文獻(xiàn)[9]介紹了使用小型固定翼無(wú)人機(jī)搭載磁力儀對(duì)油氣和礦產(chǎn)資源進(jìn)行探測(cè)。指出使用小型固定翼無(wú)人機(jī)作為移動(dòng)平臺(tái)的原因：①任務(wù)載荷-銫光泵磁力儀精度高、質(zhì)量輕(小于1kg)，小型無(wú)人機(jī)完全可以承載；②小型無(wú)人機(jī)可以近地飛行(飛行高度小于20m)，可以獲得更高精度的探測(cè)數(shù)據(jù)；③無(wú)人機(jī)搭載先進(jìn)的GPS/慣導(dǎo)系統(tǒng)、高度計(jì)以及控制精確的飛行控制系統(tǒng)，可以保證無(wú)人機(jī)按照規(guī)劃飛行路線(xiàn)精確飛行；④探測(cè)一般在夜間黑暗環(huán)境下進(jìn)行，降低太陽(yáng)活動(dòng)和環(huán)境噪聲對(duì)探測(cè)的干擾；⑤小型無(wú)人機(jī)相比載人飛機(jī),在機(jī)體材料上會(huì)采用數(shù)量更少、質(zhì)量更輕的非金屬?gòu)?fù)合材料，這樣機(jī)體產(chǎn)生的電磁和重力場(chǎng)對(duì)探測(cè)儀器的影響更小。

2004年，加拿大Fugro公司投資研發(fā)用于資源探測(cè)的無(wú)人機(jī)航磁系統(tǒng)GeoRanger，用于沿海和偏遠(yuǎn)地區(qū)的石油和礦產(chǎn)勘查。該無(wú)人機(jī)系統(tǒng)，近期已進(jìn)入試飛階段。該無(wú)人機(jī)翼展3m，機(jī)身重量15kg，在巡航速度100km/h下，續(xù)航時(shí)間可以超過(guò)15h。該無(wú)人機(jī)搭載銫蒸汽磁力儀和飛行補(bǔ)償裝置，該裝置用來(lái)降低機(jī)身運(yùn)動(dòng)對(duì)探測(cè)數(shù)據(jù)的干擾[10]。

1.2 國(guó)內(nèi)主要應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)，無(wú)人機(jī)在地球物理探測(cè)方面的應(yīng)用起步較晚，仍處于研發(fā)階段，與國(guó)際水平相比差距很大。隨著國(guó)家對(duì)能源戰(zhàn)略的重視，做好自有能源的勘查和能源儲(chǔ)備被提上議事日程。所以,我國(guó)正在不斷加大力度支持無(wú)人機(jī)技術(shù)在資源探測(cè)方面的應(yīng)用，并取得了較大的進(jìn)展。2010年，中南大學(xué)何繼善院士主持完成了小型無(wú)人直升機(jī)探礦技術(shù)，為我國(guó)補(bǔ)償鐵礦石來(lái)源提供技術(shù)支持[11]。該無(wú)人機(jī)搭載質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，可以對(duì)地面下的鐵礦有很好的探測(cè)效果。由于小型無(wú)人直升機(jī)非常適合在復(fù)雜的山區(qū)地形飛行，同時(shí)具有探測(cè)速度快、探測(cè)效率高、無(wú)人員傷亡的特點(diǎn)，所以非常適合山區(qū)探礦。2011年，國(guó)家地球深部探測(cè)專(zhuān)項(xiàng)Sinoprobe-09-03固定翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)研制子項(xiàng)目,對(duì)搭載航空磁力儀的固定翼無(wú)人機(jī)進(jìn)行了試飛，取得了良好的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。該項(xiàng)目致力于高低空固定翼無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)，重點(diǎn)攻關(guān)核心傳感器、固定翼低磁無(wú)人機(jī)、磁干擾補(bǔ)償、系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)[12]。該項(xiàng)目正處于研發(fā)和攻關(guān)階段，相信不久就可以推出我國(guó)首個(gè)固定翼低磁無(wú)人機(jī)航磁探測(cè)系統(tǒng)，為我國(guó)深部科學(xué)探測(cè)和礦產(chǎn)資源勘探提供一種安全高效的探測(cè)工具。

2 無(wú)人機(jī)在地球物理探測(cè)中的應(yīng)用方法

無(wú)人機(jī)按照機(jī)體產(chǎn)生升力方式,可分為固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人飛艇。這三種無(wú)人機(jī)各有其優(yōu)缺點(diǎn):①固定翼無(wú)人機(jī),具有飛行速度快、飛行穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，所以它一般適用于平坦區(qū)域的地球資源勘探；由于固定翼無(wú)人機(jī)存在失速問(wèn)題，所以它的最小飛行速度一般都挺大，不適于要求以很低速度進(jìn)行飛行的探測(cè)需要。②旋翼無(wú)人機(jī)，主要指無(wú)人直升機(jī)，它可以以很慢的速度飛行，甚至可以在空中懸停，所以旋翼無(wú)人機(jī)一般適用于地形比較復(fù)雜、要求飛行速度慢、跟隨地形飛行的場(chǎng)合；缺點(diǎn)是續(xù)航時(shí)間較短，機(jī)身振動(dòng)較大，對(duì)探測(cè)儀器的抗震性能要求較高。③無(wú)人飛艇利用自身的浮力，需要很小的動(dòng)力輸出就可以在空中懸停和飛行，在環(huán)境風(fēng)速較低的情況下，可以非常平穩(wěn)地飛行;由于耗能少，所以無(wú)人飛艇的續(xù)航時(shí)間一般很長(zhǎng)；適用于探測(cè)時(shí)間長(zhǎng)和飛行速度慢的地球物理探測(cè)情況；缺點(diǎn)是體積大，受環(huán)境氣流影響較大，抗風(fēng)能力較差；由于自身慣性大，受控后的反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)。

在實(shí)際勘探過(guò)程中，根據(jù)勘探環(huán)境和技術(shù)指標(biāo)不同，選擇合適的無(wú)人機(jī)平臺(tái)來(lái)完成任務(wù)，可以較好地保證勘探任務(wù)的完成質(zhì)量，提高探測(cè)效率。

3 無(wú)人機(jī)應(yīng)用于地球物理探測(cè)存在的問(wèn)題

3.1 無(wú)人機(jī)本身

無(wú)人機(jī)本身就是一個(gè)非常復(fù)雜的系統(tǒng)，集材料、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈、動(dòng)力系統(tǒng)等于一身，任何一部分出現(xiàn)問(wèn)題,都會(huì)影響無(wú)人機(jī)在地球物理探測(cè)中的應(yīng)用。如何提高無(wú)人機(jī)的續(xù)航時(shí)間、飛行控制和任務(wù)管理智能化、任務(wù)載荷重量、惡劣環(huán)境飛行適應(yīng)性,是無(wú)人機(jī)能否廣泛應(yīng)用于地球物理探測(cè)的一個(gè)重要因素。

3.2 地球探測(cè)設(shè)備

無(wú)人機(jī)只是一個(gè)空中移動(dòng)平臺(tái)，而其搭載的地球物理探測(cè)設(shè)備,才是進(jìn)行地球物理探測(cè)的核心工具。只有地球物理探測(cè)設(shè)備的性能指標(biāo)都過(guò)關(guān)，我們才有可能獲得地球物理場(chǎng)的真實(shí)數(shù)據(jù)。然而,在物探設(shè)備的研發(fā)上,我國(guó)和國(guó)外先進(jìn)水平還存在不小的差距，所以地球物理探測(cè)設(shè)備的研發(fā)任重道遠(yuǎn)。

3.3 耦合因素

地球物理探測(cè)設(shè)備的性能參數(shù)都滿(mǎn)足探測(cè)需要后，還有一個(gè)問(wèn)題很重要，探測(cè)設(shè)備能否在無(wú)人機(jī)飛行環(huán)境下穩(wěn)定地工作。即無(wú)人機(jī)平臺(tái)本身的電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、飛行中機(jī)體與空氣摩擦產(chǎn)生的靜電場(chǎng)、空中湍流產(chǎn)生的機(jī)身振動(dòng)等，這些因素都會(huì)對(duì)探測(cè)設(shè)備產(chǎn)生不利影響。雖然機(jī)載穩(wěn)定平臺(tái)可以有效地降低機(jī)身振動(dòng)對(duì)探測(cè)設(shè)備的影響，但是如何降低或消除機(jī)體施加的靜電場(chǎng)、電磁場(chǎng)以及重力場(chǎng)干擾是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了國(guó)內(nèi)外無(wú)人機(jī)在地球物理探測(cè)上的應(yīng)用現(xiàn)狀，給出了固定翼無(wú)人機(jī)、旋翼無(wú)人機(jī)和無(wú)人飛艇在資源勘探應(yīng)用上的特點(diǎn)；介紹了無(wú)人機(jī)應(yīng)用于地球物理探測(cè)存在的主要問(wèn)題。總的來(lái)說(shuō)，無(wú)人機(jī)是一種高效的探測(cè)移動(dòng)平臺(tái)，具有有人機(jī)無(wú)法比擬的低功耗、靈活、低風(fēng)險(xiǎn)特性，是有人航空物探的理想替代工具。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)增長(zhǎng)，對(duì)各種礦產(chǎn)、石油、天然氣資源的迫切需求，相信無(wú)人機(jī)地球物理探測(cè)技術(shù)在我國(guó)資源勘探上具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]Paul G.Fahlstrom,Thomas J.Gleason.無(wú)人機(jī)系統(tǒng)導(dǎo)論[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2003.

[2]韓文權(quán),任幼蓉,趙少華.無(wú)人機(jī)遙感在應(yīng)對(duì)地質(zhì)災(zāi)害中的主要應(yīng)用[J].地理空間信息，2011,9(5):6-8.

[3]臧克,孫永華,李京,等.微型無(wú)人機(jī)遙感系統(tǒng)在汶川地震中的應(yīng)用[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，2010,19(3):162-166.

[4]P.J.Zarco-Tejada,V.González-Dugo,J.A.J.Berni.Fluorescence temperature and narrow-band indices acquired from a UAV platform for water stress detection using a micro-hyperspectral imager and a thermal camera[J].Remote Sensing of Environment,2012,117:322-337.

[5]Haitao Xiang,Lei Tian .Development of a low-cost agricultural remote sensing system based on an autonomous unmanned aerial vehicle (UAV)[J].Biosystems engineering,2011,108:174-190.

[6]張園,陶萍,梁世祥,等.無(wú)人機(jī)遙感在森林資源調(diào)查中的應(yīng)用[J].西南林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011,31(3):49-53.

[7]U.Niethammer,M.R.James,S.Rothmund,et al .UAV-based remote sensing of the Super-Sauze landslide:Evaluation and results[J].Engineering Geology,2012,128:2-11.

[8]P.R.McGill,K.R.Reisenbichler,S.A.Etchemendy,et al.Aerial surveys and tagging of free-drifting icebergs using an unmanned aerial vehicle (UAV)[J].Deep-Sea Research Ⅱ,2011,58:1318-1326.

[9]Dr Joseph A.The use of Unmanned Aircraft in Oil,Gas and Mineral E+P activities[R].2008 SEG Annual Meeting,2008.

[10]The Northern Mine.Airborne Geophysical Surveying[R].Supplement to The Northern Miner,2006.

[11]武海亮,岳霞.無(wú)人小飛機(jī)將赴秘魯尋礦 何繼善院士主持完成[DB/OL].http:∥hunan.voc.com.cn/article/201001/201001271547345207.html,2010-01-27.

[12]董樹(shù)文,李廷棟,SinoProbe團(tuán)隊(duì).深部探測(cè)技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究(SinoProbe)[J].地球?qū)W報(bào),2011,23(增刊1):3-23.