飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)在不同地理?xiàng)l件下的應(yīng)用

王　波， 趙國鳳， 羅　丁， 季　巖， 馬柳州， 梁　森

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇南京210049)

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飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)在不同地理?xiàng)l件下的應(yīng)用

王波， 趙國鳳， 羅丁， 季巖， 馬柳州， 梁森

(江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院，江蘇南京210049)

摘要：飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)由無人駕駛飛艇作為飛行平臺(tái)，搭載高精度航空磁測(cè)系統(tǒng)構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)無人駕駛、自主導(dǎo)航沿設(shè)計(jì)測(cè)線飛行，進(jìn)而完成測(cè)區(qū)內(nèi)航磁測(cè)量工作。此系統(tǒng)研制成功后,分別在不同地形條件、不同緯度區(qū)域進(jìn)行了快速、安全、穩(wěn)定的飛行測(cè)量。實(shí)踐證明，飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)在高原、中高山、丘陵、平原、沼澤覆蓋區(qū)內(nèi)應(yīng)用效果良好。

關(guān)鍵詞：飛艇；航空磁測(cè)；無人駕駛；不同地理?xiàng)l件

0引言

航空物探作為一種高效、快速、經(jīng)濟(jì)的地球物理勘探方法，在區(qū)域地質(zhì)調(diào)查、油氣和礦產(chǎn)普查等基礎(chǔ)地質(zhì)工作中一直發(fā)揮著重要作用，而其中航空磁測(cè)方法應(yīng)用最為廣泛。目前，無人機(jī)具有安全性好、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)高效等優(yōu)勢(shì)，作為一種新的作業(yè)手段，發(fā)展無人機(jī)航空物探技術(shù)是一個(gè)重要的發(fā)展方向(張洪瑞等，2007；李軍峰等，2014)。飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)采用自行研制與引進(jìn)相結(jié)合的方式完成了系統(tǒng)集成，并實(shí)現(xiàn)無人駕駛航磁測(cè)量。

1系統(tǒng)特點(diǎn)

飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)(圖1)采用無人駕駛飛艇作為飛行載體平臺(tái)，搭載了氦光泵高精度航空磁測(cè)儀器。飛艇屬于輕于空氣的飛行器，靠空氣浮力升空(甘曉華等，2005)，艇囊內(nèi)部充滿氦氣，具有很高的安全性。

系統(tǒng)采用的無人飛艇有效載荷為13kg，續(xù)航時(shí)間為2～4h，巡航速度為50km/h，通過配置的動(dòng)力裝置實(shí)現(xiàn)飛行和操控，可沿設(shè)定好的航線自主飛行。系統(tǒng)配備的RS-HGB-10型氦光泵航磁系統(tǒng)可實(shí)時(shí)采集地磁場(chǎng)總場(chǎng)數(shù)據(jù)、磁通門磁力儀的磁場(chǎng)三分量數(shù)據(jù)、GPS的飛行實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)等，實(shí)時(shí)對(duì)飛行平臺(tái)產(chǎn)生的磁干擾進(jìn)行補(bǔ)償，并存儲(chǔ)采集到的所有數(shù)據(jù)。同時(shí)還有激光測(cè)高儀等輔助設(shè)備，采集飛行離地高度等其他信息。

飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)既可應(yīng)用于區(qū)域性磁測(cè)工作，又可應(yīng)用在礦區(qū)及其外圍以及重點(diǎn)成礦靶區(qū)的大比例尺磁測(cè)工作。與地面磁測(cè)相比，飛艇航磁可在地貌較為復(fù)雜的地區(qū)開展，如植被覆蓋率較高的丘陵、沼澤、荒漠等。在這些區(qū)域內(nèi)開展地面人工作業(yè)較為困難，而飛艇航磁的飛行速度相對(duì)地面采集速度較快，采樣密度高，大大提高了工作效率。在一些自然條件比較惡劣的區(qū)域，不但可以降低工作人員的安全風(fēng)險(xiǎn)，還能節(jié)省大量勞動(dòng)力。同時(shí)，相對(duì)于直升機(jī)或固定翼等飛行平臺(tái)的航磁工作方法，飛艇的機(jī)械部件少，易于維護(hù)和維修，成本低；飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)在空中可沿著設(shè)定的航線自主飛行，在氣候條件允許的情況下，白天、黑夜均可開展測(cè)量工作，具有全天候工作特點(diǎn)；起飛降落要求較低，無需飛機(jī)場(chǎng)或跑道，一般起降坪選擇在工作區(qū)域內(nèi)或附近半個(gè)足球場(chǎng)大小的平坦區(qū)域即可滿足條件。因此，飛艇航磁因其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在某些條件下可替代地面磁測(cè)進(jìn)行快速勘查，完成小范圍內(nèi)的大比例尺工作。

圖1　飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)① 艇身主體； ② 吊艙(內(nèi)置飛控系統(tǒng)與動(dòng)力系統(tǒng))； ③ 航磁儀主機(jī)； ④ 三分量探頭； ⑤ 航磁儀主探頭Fig.1　Blimp aeromagnetic system

無人飛艇作為飛行載體，具有安全系數(shù)高、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，而且其成本低、易組裝，可快速投入使用，具有很大的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。目前，在此平臺(tái)上亦可搭載多種輕型航空探測(cè)儀，如攝影、測(cè)量設(shè)備、電磁測(cè)量系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)綜合航空測(cè)量和地質(zhì)調(diào)查需求(曹立等，2005；張永軍，2009；嵇艷鞠等，2013；劉明軍等，2013)。

2應(yīng)用實(shí)例

2.1低緯度環(huán)境丘陵植被覆蓋區(qū)

項(xiàng)目一：測(cè)區(qū)位于赤道附近的西非地區(qū)，區(qū)內(nèi)地形以丘陵為主，相對(duì)高差<200m，地形變化較為平緩，植被茂密，覆蓋率達(dá)95%。路況很差，只稀疏分布一些簡(jiǎn)易道路，交通不便。測(cè)區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，高溫多雨， 5—10月為雨季，11月至次年4月為旱季，年平均氣溫約26 ℃。

測(cè)區(qū)地處赤道附近的低緯度地區(qū)，處于地球磁場(chǎng)的水平磁化或以水平磁化為主的條件下，在數(shù)據(jù)采集時(shí)采用雙光系氦光泵探頭水平安裝進(jìn)行測(cè)量，采用近平飛方式。研究區(qū)主要地質(zhì)構(gòu)造方向?yàn)楸蔽魑飨?，因此航磁主測(cè)線方向設(shè)定為北北東向，飛行方向角為28°～208°，測(cè)線間距為500m。

由于研究區(qū)位于低緯度地區(qū)，磁異常特征表現(xiàn)以負(fù)磁異常為主，伴生正磁異常。通過本次1∶5萬測(cè)量獲得的航磁異常(局部)等值線見圖2，圖中所示主體異?？傮w表現(xiàn)為近東西向的負(fù)異常帶，單個(gè)異常長軸軸向?yàn)楸睎|向，其北側(cè)伴生北東向轉(zhuǎn)東西向的正異常帶，推測(cè)引起異常的磁源大致呈近東西向雁行排列，呈群集特征。在位場(chǎng)數(shù)據(jù)處理過程中采用了化向磁赤道方法進(jìn)行處理(李水平，2009；趙百民等，2009；柳建新等，2014)。

圖2　低緯度測(cè)區(qū)的航磁ΔT等值線平面圖(項(xiàng)目一)Fig.2　Contour map showing aeromagnetic anomaly(ΔT) in study area of low latitude (Project No.1)

研究區(qū)地層及巖性較為簡(jiǎn)單，主要為無磁的殘坡積含碎石黏土、腐殖質(zhì)層、洪沖積砂等覆蓋，基底為以石英片麻巖和條帶狀磁鐵石英巖為主的變質(zhì)巖，其中石英片麻巖與條帶狀磁鐵石英巖互層產(chǎn)出。同時(shí)，異常所在區(qū)域的地面可見鐵帽風(fēng)化殼碎石和以滾石為主的磁鐵石英片麻巖礦石。結(jié)合地質(zhì)資料推測(cè)，異常對(duì)應(yīng)的磁性體可能為規(guī)模較大、埋藏淺的磁鐵礦體所引起，因此在區(qū)內(nèi)尋找沉積變質(zhì)型鐵礦具有較好的找礦前景。

2.2高緯度沼澤覆蓋區(qū)

項(xiàng)目二：測(cè)區(qū)位于北緯50°左右的我國東北某礦區(qū)西北側(cè)。區(qū)內(nèi)氣候?qū)俸疁貛Т箨懠撅L(fēng)氣候，雨季多集中在6—9月。10月至次年4月為結(jié)凍期，最大凍土深度達(dá)3.0m。測(cè)區(qū)地處小興安嶺北端之低山區(qū)，海拔高度為310～600m，區(qū)內(nèi)嫩江貫穿南北，沿江流域多為沼澤濕地，覆蓋嚴(yán)重，基巖露頭少，地面工作開展較困難。

測(cè)區(qū)位于高緯度地區(qū)，處于地球磁場(chǎng)以近垂直磁化為主的斜磁化條件下，在數(shù)據(jù)采集時(shí)采用單光系氦光泵探頭垂直安裝進(jìn)行測(cè)量，大致沿地形起伏飛行。區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造方向?yàn)楸蔽飨?，因此航磁主測(cè)線方向設(shè)定為北東向，飛行方向角為37°～217°，測(cè)線間距為100m。

1∶1萬測(cè)量獲得的航磁異常等值線見圖3，航磁異常整體表現(xiàn)為北西走向，南高北低，多數(shù)局部單個(gè)異常形態(tài)呈橢圓狀。與區(qū)內(nèi)已有的1∶5萬資料對(duì)比發(fā)現(xiàn)，所示異常形態(tài)基本一致，但在部分地區(qū)細(xì)節(jié)更為清晰(如圖3中紅圈標(biāo)示)。結(jié)合地質(zhì)資料可知，此處對(duì)應(yīng)地層主要有晚三疊世—早侏羅世花崗閃長巖、下白堊統(tǒng)的龍江組、光華組等，因?yàn)辇埥M、光華組地層無磁性或弱磁性，推測(cè)區(qū)內(nèi)出現(xiàn)的大面積正異常由巖漿巖引起。

圖3　高緯度測(cè)區(qū)的航磁ΔT等值線平面圖(項(xiàng)目二)Fig.3　Contour map showing aeromagnetic anomaly (ΔT ) in study area of high latitude (Project No.2)(a) aeromagnetic results on a scale of 1∶50 000； (b) aeromagnetic results on a scale of 1∶10 000

2.3高海拔荒漠地區(qū)

項(xiàng)目三：測(cè)區(qū)地處柴達(dá)木盆地南緣，區(qū)內(nèi)山勢(shì)陡峻，溝谷深切，植被稀疏，人跡罕至，是典型的高原荒漠。測(cè)區(qū)屬大陸性干旱氣候，10月至次年4月為冰凍期，8月最高氣溫為21.2 ℃，晝夜溫差可達(dá)29 ℃。1—5月多西北風(fēng)，6—9月多東北風(fēng)，最佳工作時(shí)間段為6—8月。測(cè)區(qū)內(nèi)總體地勢(shì)西南高、北東低，海拔高度均在3 300m以上，最高海拔高度為4 700m，高差變化較大，高差大于200m的區(qū)域占測(cè)區(qū)3/4或以上。區(qū)內(nèi)主要地質(zhì)構(gòu)造方向?yàn)楸睎|向，因此航磁主測(cè)線方向設(shè)定為北西向，飛行方向角為160°～340°，測(cè)線間距為100m。由于地形切割頻繁，采用近平飛方式。

測(cè)區(qū)惡劣的自然條件決定了在區(qū)內(nèi)開展工作難度很大，可進(jìn)行野外工作的時(shí)間短，由于高原地區(qū)空氣稀薄，飛艇在空氣中的浮力較低。為了使飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)可以在高原地區(qū)進(jìn)行航磁測(cè)量工作，對(duì)飛艇進(jìn)行了相應(yīng)改進(jìn)，增加艇囊的長度，擴(kuò)大其儲(chǔ)氣量，從而增加飛艇的載重能力，同時(shí)采用更大功率的發(fā)動(dòng)機(jī)和大尺寸槳葉提升飛艇的飛行動(dòng)力。

將本次獲得的成果與以往1∶1萬地面高精度磁法測(cè)量成果進(jìn)行對(duì)比(圖4)。異常形態(tài)與地磁成果基本相似，異常均被分成南北2個(gè)子異常，說明該區(qū)航磁區(qū)分異常能力降低不大，更不會(huì)遺漏磁異常。結(jié)合地質(zhì)資料可知，異常附近見有矽卡巖，推斷該異常與深部中堿性巖體及矽卡巖有關(guān)，深部具有尋找多金屬礦的潛力。

2.4結(jié)果與討論

目前，飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)已在不同地形條件、不同磁場(chǎng)區(qū)域、不同氣候環(huán)境下進(jìn)行了快速、安全、穩(wěn)定的飛行測(cè)量。由表1可知，飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)在這3個(gè)項(xiàng)目中性能穩(wěn)定，其中自駕導(dǎo)航精度較好，測(cè)網(wǎng)疏密度均在10m誤差范圍內(nèi)，可滿足大比例尺的測(cè)量需求；平均離地飛行高度與地形起伏關(guān)系較大，動(dòng)態(tài)噪聲水平與航磁測(cè)量總精度均滿足相應(yīng)的設(shè)計(jì)與規(guī)范要求。

圖4　高海拔測(cè)區(qū)1∶1萬航磁成果與地磁成果對(duì)比圖(項(xiàng)目三)Fig.4　Comparison of aeromagnetic results and geomagnetic results on a scale of 1∶10 000 in study area of high altitude(Project No.3)(a) geomagnetic results on a scale of 1∶10 000; (b) aeromagnetic results on a scale of 1∶10 000

項(xiàng)目一 項(xiàng)目二 項(xiàng)目三地理緯度北緯7°～10°北緯48°～52°北緯34°～38°地形地貌情況低緯丘陵、植被茂密丘陵山區(qū),森林、沼澤覆蓋高原、荒漠山區(qū)氣候環(huán)境熱帶季風(fēng)氣候北溫帶大陸性季風(fēng)氣候大陸性干旱氣候地磁條件以水平磁化為主以垂直磁化為主以垂直磁化為主的斜磁化測(cè)量比例尺1∶5萬1∶1萬1∶1萬航磁儀靜態(tài)試驗(yàn)/nT±0.003±0.002±0.003測(cè)網(wǎng)疏密度/m500±9.1100±8.9100±5.7平均離地飛行高度/m177119364動(dòng)態(tài)噪聲水平/%(≤0.14nT)94.5093.5890.02最大日變?cè)肼曀?nT±0.021±0.030±0.018航磁測(cè)量總精度/nT±2.99±3.00±3.85

通過上述試驗(yàn)，可以確定飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)在高原、中高山、丘陵、平原、沼澤覆蓋區(qū)內(nèi)應(yīng)用效果良好，獲得的航磁數(shù)據(jù)符合設(shè)計(jì)要求，相比于地面勘查方法，縮短了勘查項(xiàng)目的運(yùn)行時(shí)間。

3結(jié)論

自2011年成功試驗(yàn)飛行后，飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)先后在不同地理?xiàng)l件下進(jìn)行實(shí)際應(yīng)用飛行，取得了較好的測(cè)量效果。除關(guān)鍵部位(如發(fā)動(dòng)機(jī))外，無人飛艇均為無磁材料制造，使得飛行載體本身的磁干擾非常小，特別適用于中大比例尺的高進(jìn)度航磁測(cè)量工作。但是，由于飛艇采用艇身充滿氦氣產(chǎn)生的浮力抵消自重升空，龐大的體積受到天氣(特別是風(fēng)力)的影響較大，使得該系統(tǒng)在部分天氣條件下使用具有一定的局限性。此外，在地形切割較深、相對(duì)高差較大的地區(qū)，會(huì)受到局部小氣候的干擾，飛艇嚴(yán)格沿地形起伏飛行難度較大。在這種地形條件下，要保證飛行安全并獲得大比例尺的高精度數(shù)據(jù)，系統(tǒng)還需要進(jìn)一步改進(jìn)。綜上所述，該系統(tǒng)具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在以下3個(gè)方面都將有很好的應(yīng)用前景。

(1) 大多數(shù)重要成礦靶區(qū)地形復(fù)雜，開展地面施工較為困難；礦區(qū)及外圍的區(qū)域或被不同的企業(yè)申請(qǐng)了探礦權(quán)，這些探礦權(quán)區(qū)面積小而分散。應(yīng)用飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)可在這些區(qū)域的整裝勘查工作中發(fā)揮較好的作用。

(2) 飛艇式航空磁測(cè)系統(tǒng)在境外勘查工作中有著很好的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)在設(shè)備維護(hù)和出入境手續(xù)等方面相對(duì)簡(jiǎn)單，可避免常規(guī)機(jī)載航空測(cè)量手段在起飛場(chǎng)地、后勤保障、空域使用方面的種種局限性，特別是在南美、非洲及東南亞等經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)和自然環(huán)境條件惡劣地區(qū)。

(3) 無人飛艇作為飛行平臺(tái)具有很大的擴(kuò)展空間，可搭載多種輕型航空探測(cè)儀，拓展其在地質(zhì)、遙感、環(huán)境、氣象等不同工作領(lǐng)域中的應(yīng)用。

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The application of unmanned blimp aeromagnetic system in different geographical conditions

WANG Bo, ZHAO Guofeng, LUO Ding, JI Yan, MA Liuzhou, LIANG Sen

(GeologicalExplorationTechnologyInstituteofJiangsuProvince,Nanjing210049,Jiangsu,China)

Abstract：Adopting unmanned blimp as its platform and equipped with high-precision aeromagnetic survey system, unmanned blimp aeromagnetic system realized unmanned driving and autonomous navigation along the designed survey line, so as to complete aeromagnetic survey in the studied area. After a successful development, fast, safe and steady trial flights were carried out in different terrain conditions and latitudinal areas. Based on the trials, it was ensured that the system has good effects on aeromagnetic survey in the areas of plateaus, mountains, hills, plains and swamplands.

Keywords：blimp; aeromagnetic survey; unmanned driving; different geographical conditions

收稿日期：2015-10-08；修回日期：2015-11-20；編輯：陳露

基金項(xiàng)目：中國地質(zhì)調(diào)查局地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查項(xiàng)目“艇載航磁勘查系統(tǒng)示范應(yīng)用與推廣”(12120113090700)

作者簡(jiǎn)介：王波(1973—)，男，研究員級(jí)高級(jí)工程師，主要從事地質(zhì)勘查與信息技術(shù)的集成研究工作，E-mail: njwangbo@qq.com

中圖分類號(hào)：P631.2+22

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-3636(2016)02-0341-05

:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.341