AS350 B3飛機(jī)航磁測量前支桿方式儀器安裝位置的探討

盧俊豐，紀(jì)福山，楊 望，劉 浩，郭 喆，李正富，李豐年

(中國冶金地質(zhì)總局 地球物理勘查院，保定 071051)

0 引言

隨著我國航空物探業(yè)的蓬勃發(fā)展，不同地域、不同地形對飛機(jī)的機(jī)型有不同的要求。固定翼飛機(jī)用來做航空物探飛行，安裝技術(shù)已經(jīng)比較成熟。無論是大翼尖安裝方式還是尾錐的安裝方式，磁探頭距離飛機(jī)機(jī)身及發(fā)動機(jī)都比較遠(yuǎn)，所以對磁探頭的影響都比較小，而且對飛機(jī)的姿態(tài)測定也比較容易，補(bǔ)償難度不是很大。對于旋翼飛機(jī)來講，以往航空物探作業(yè)中較常采用的是吊掛探頭的安裝方式，而這種安裝方式在地形切割較嚴(yán)重，高差較大的高山區(qū)又有很大的安全隱患，所以在這種地區(qū)較常采用前支桿方式。在國內(nèi)，AS350 B3飛機(jī)前支桿安裝探頭的方式，探桿的長度沒有數(shù)據(jù)可參考，儀器的安裝位置無資料可查，只能借鑒 國外的一些安裝圖片[1]。在這種情況下，本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，同時也為了更好地指導(dǎo)生產(chǎn)，探索AS350 B3飛機(jī)合適的安裝方式，我院航空物探人員進(jìn)行了一系列的實驗，獲得了大量的科學(xué)研究數(shù)據(jù)，在實踐中取得了良好的效果。

1 干擾源分析

1．1 直升機(jī)旋翼干擾場

AS350 B3直升機(jī)旋翼是由特殊的復(fù)合材料制作的，本身不具有磁性，在每條旋翼的側(cè)邊，都有一條用于加固的金屬條，本身亦無磁性，但在旋翼轉(zhuǎn)動時，由于切割地球磁力線而產(chǎn)生感應(yīng)場，此干擾場的產(chǎn)生勢必影響磁探頭對地磁場的測量。為此，磁探頭的安裝位置必須遠(yuǎn)離旋翼感應(yīng)場的影響范圍。

1.2 直升機(jī)恒場和渦流場

飛機(jī)本身是個金屬體，在地磁場的影響下勢必產(chǎn)生恒場和渦流場。因飛機(jī)一經(jīng)改裝后各個部件位置相對固定，不允許在飛機(jī)上再增加金屬體，這樣恒場才能固定。飛機(jī)產(chǎn)生的渦流場相對較小，磁探頭遠(yuǎn)離飛機(jī)一定距離后影響相對亦較小。二者施加在磁探頭影響的具體數(shù)值，需在試驗中進(jìn)行精確測量獲得。

1.3 磁探頭抖動影響

磁探頭安裝在前支桿上，由于發(fā)動機(jī)的震動、飛機(jī)動作和風(fēng)速變化的影響，支桿勢必發(fā)生抖動，而探桿的抖動是磁噪聲增加的主要原因。所以在實際工作中要采取必要的加固措施，盡量減少探桿的抖動。

2 工作實施及數(shù)據(jù)分析

選定一個磁場平靜，周邊障礙物少的地方作為實驗場地。本次選定的AS350 B3直升飛機(jī)隸屬首航直升機(jī)公司，實驗儀器為加拿大PICO公司生產(chǎn)的2MNSD-N型智能多傳感器磁力儀，儀器采樣率為10次/s，分辨率為0.000 2 nT。

為了去掉測試中日變的影響，在磁場平靜區(qū)設(shè)立日變站，以消除日變影響，保證測試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。日變站使用的儀器型號為PGIS-HSMAG單光系銫光泵磁力儀，該儀器帶有GPS同步系統(tǒng)，采樣率為10次/s。

測試工作分幾步進(jìn)行：

1)選定一塊磁場平靜區(qū)，沿一條直線布設(shè)測點并標(biāo)號(本次布設(shè)的直線選定北東30°方向，1點為起點，如：1、 2、3…依次類推，共設(shè)10個測試點位)，每個點之間的距離是1 m，同時逐點測定點位所在位置的磁場值，作為背景值。地面背景場值如圖1所示。

圖1 地面背景場值Fig．1 The ground background field value

需要說明的是以上背景場地的選擇由于受交通和航空器進(jìn)出的限制，選擇絕對平靜的場地非常困難，經(jīng)多次測量選擇，最終選定本實驗場地，雖背景場不是非常平靜，但每點5min變化率小于0.08 nT，較恒定，作為背景值對實驗數(shù)據(jù)影響不大。

2)將飛機(jī)推到事先布設(shè)好的測線上(飛機(jī)探桿處于布設(shè)測線的正上方，駕駛員座椅中心位于1號點正上方)，在飛機(jī)靜止?fàn)顟B(tài)下，測定磁探頭在不同測點位置時的磁場值，目的是測定有飛機(jī)存在時磁場值的變化，即飛機(jī)本身對磁探頭的影響值。點位布設(shè)及飛機(jī)位置如圖2所示。

圖2 點位布設(shè)及飛機(jī)位置Fig．2 Position and aircraft position

測定不同點位磁場值時，探頭高度不變，探頭高度要求與探桿離地高度相同，本次探頭中心點離地高度設(shè)定為46 cm (圖3)。

圖3 探頭在點位上實測圖Fig．3 Probe the measured figure on the point

所有工作做完后，得出了磁探頭在不同位置時的測量曲線(圖4)。

圖4 不同測點磁場變化曲線圖Fig．4 Different measuring point magnetic field change curve

圖4是有飛機(jī)但飛機(jī)沒有工作的時候，飛機(jī)對各個點的磁場值影響曲線，每個點連續(xù)測量1 min，最終各點的測定值為1 min內(nèi)測定數(shù)據(jù)減去日變影響后的平均值。

在以上測定工作結(jié)束后，我們得出了飛機(jī)不發(fā)動時對各個測點的影響變化關(guān)系。

在以上工作結(jié)束后，將飛機(jī)發(fā)動，保持勻轉(zhuǎn)速，做了7個不同動作的測試，分別是①螺旋槳平轉(zhuǎn)；②螺旋槳變矩3°；③螺旋槳變矩5°；④螺旋槳保持變矩5°不變，向前變角5°；⑤螺旋槳保持變矩5°不變，向后變角5°；⑥螺旋槳保持變矩5°不變，向左變角5°；⑦螺旋槳保持變矩5°不變，向右變角5°。做完這些動作，做日變改正處理后，畫出以下七條曲線(圖5～圖11的橫坐標(biāo)是地面上事先設(shè)定好的10個點位，縱坐標(biāo)是經(jīng)過日變改正后，各測點的實測磁數(shù)據(jù)減去地面背景場值后的差值)。

圖5 不同測點磁場值變化曲線(動作1)Fig．5 The curves of different magnetic field action value

圖6 不同測點磁場值變化曲線(動作2)Fig．6 The curves of different magnetic field action value

圖7 不同測點磁場值變化曲線(動作3)Fig．7 The curves of different magnetic field action value

圖8 不同測點磁場值變化曲線(動作4)Fig．8 The curves of different magnetic field action value

圖9 不同測點磁場值變化曲線(動作5)Fig．9 The curves of different magnetic field action value(action5)

圖10 不同測點磁場值變化曲線(動作6)Fig．10 The curves of different magnetic field action value

圖11 不同測點磁場值變化曲線(動作7)Fig．11 The curves of different magnetic field action value

以上數(shù)據(jù)是每個測點連續(xù)測量2 min，取2 min觀測數(shù)據(jù)的平均值作為測定值。

從圖5～圖11可以看出，飛機(jī)依次做以上動作時，不同動作對探頭的影響差別不大，飛機(jī)對探頭的影響隨探頭與飛機(jī)距離的增加而逐漸減小，在4點處以后變化幅度明顯變緩，探頭放在7點以后，飛機(jī)對探頭的磁干擾影響每遠(yuǎn)離1m磁場變化差別不是很大，并且在7點以后，影響值減小到2 nT以內(nèi)，8點以后則減小到1 nT以內(nèi)。

接下來再探討一下噪聲的影響因素。在野外工作實踐中，噪聲水平高低是衡量數(shù)據(jù)質(zhì)量的一個重要標(biāo)準(zhǔn)[7]，要想知道探頭在這個位置受飛機(jī)影響的噪聲大小，就要對數(shù)據(jù)進(jìn)行具體分析，測定飛機(jī)對磁探頭的干擾值，為此我們截取了各個階段的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，將每個測點上飛機(jī)做7個連續(xù)動作時所得的數(shù)據(jù)畫出磁數(shù)據(jù)曲線(圖12～圖15),只列出1號、2號、7號、8號四個點的曲線，其他點曲線具有相似性。

圖12 飛機(jī)動作磁數(shù)據(jù)曲線(1號點)方波幅值為300 nTFig．12 Different point magnetic disturbance data curve

圖13 飛機(jī)動作磁數(shù)據(jù)曲線(2號點)方波幅值為30 nT，抖動幅值為12 nTFig．13 Different point magnetic disturbance data curve

圖14 飛機(jī)動作磁數(shù)據(jù)曲線(7號點)方波幅值為1.1 nT，抖動幅值為0.35 nTFig．14 Different point magnetic disturbance data curve

圖15 飛機(jī)動作磁數(shù)據(jù)曲線(8號點)方波幅值為0.8 nT，抖動幅值為0.18 nTFig．15 Different point magnetic disturbance data curve

從圖12～圖15可以看出,直升機(jī)發(fā)動機(jī)及螺旋槳對磁數(shù)據(jù)的影響主要為兩個部分；

1)發(fā)動轉(zhuǎn)動造成的低頻干擾方波，周期為78秒，方波幅值隨探頭遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)而減小，由1號點測到的300 nT到8號點，幅值衰減為0.8 nT。

2)由螺旋槳轉(zhuǎn)動造成的干擾波可視為高頻干擾，附加在低頻干擾波上波動，周期為1 s，這個波動的幅值也是隨探頭遠(yuǎn)離飛機(jī)而減小的。由1號點測定的15 nT到8號點時衰減為0.18 nT。

將10個點上連續(xù)測量的磁測數(shù)據(jù)做動態(tài)四階差分運(yùn)算并統(tǒng)計如圖16所示。

由圖16可以看出，探頭噪聲在4點以后明顯變小，7點后比較穩(wěn)定，這說明探頭放在7點以后都是可取的，而在8點以后位置尤為可靠，噪聲水平比較穩(wěn)定，平均值在0.06 nT左右。

為了解決探桿的抖動問題，我院結(jié)合國外探桿的制作經(jīng)驗，采用多種復(fù)合材料定做了探桿，增強(qiáng)了探桿的硬度，同時又安裝了支架，對探桿進(jìn)行了必要的加固和防抖處理，這在一定程度上減小了探桿的抖動，有效地提升了數(shù)據(jù)采集的質(zhì)量。

圖16 四階差分統(tǒng)計圖Fig．16 Fourth-order difference statistical figure

圖17 前支桿固定支架Fig．17 The strut support

以上加固措施是實踐中逐步摸索出來的，經(jīng)過了幾次的改進(jìn)，反復(fù)運(yùn)用了多種材料進(jìn)行測試，最后又在細(xì)節(jié)處做了處理，才最終得以完成。

3 實踐檢驗結(jié)果

在所有工作做完后，進(jìn)行了效果測試，選取2條測線和1條切割線，分別進(jìn)行了不同方向和同一條線的同向、反向?qū)崪y(表1、圖18～圖19)。

表1 實測曲線噪聲統(tǒng)計表

從圖18～圖19、表1可以看出，補(bǔ)償后，曲線平滑，抖動小，同向和反向重復(fù)線重復(fù)性很好，動態(tài)噪聲水平亦完全滿足一級資料的要求。

圖18 測線實測剖面圖Fig．18 Line the measured profile

圖19 切割線實測剖面圖Fig．19 Tie line the measured profile

4 結(jié)論

通過以上試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果看，磁探頭測得的數(shù)據(jù)在4點位置以后，飛機(jī)旋翼和機(jī)體本身對磁探頭的影響逐漸變小，這是因為旋翼翼尖的位置在4點的正上方，在4點以后，磁探頭逐漸脫離了旋翼和飛機(jī)的影響，干擾值隨著距離的增加而迅速衰減(距離的立方關(guān)系衰減)，干擾幅值逐漸變緩，在7點以后干擾值減小到2 nT以內(nèi)，在8點后干擾值則減小到了1 nT以內(nèi)。從實際飛行取得的實際測量數(shù)據(jù)看，數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，資料達(dá)到和超過了一級資料水平。這說明探頭只要放在7點以后是可靠的，越遠(yuǎn)離發(fā)動機(jī)越好。也就是說，探桿的長度越長越好，但就像前面分析的一樣，探桿的加長勢必會增加探桿的抖動度，既使采取一定的加固措施，也不可能無限度地加長探桿，而探桿的抖動是噪聲增加的主要原因，結(jié)合多方面因素考慮，最終確定探頭放在8點位置上。同時三分量探頭放在離8點1 m～1.5 m的地方，既不影響光泵探頭探測的數(shù)據(jù)質(zhì)量，又能反映飛機(jī)的姿態(tài)變化。

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