無(wú)人機(jī)在航空物探的應(yīng)用研究

王志宏（核工業(yè)航測(cè)遙感中心，中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查中心（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）)

介紹了航空物探的概念及飛行平臺(tái)的發(fā)展情況。結(jié)合實(shí)際工作情況，基于國(guó)產(chǎn)“彩虹”3無(wú)人機(jī)作為飛行平臺(tái)，研究了無(wú)人機(jī)航空物探（航磁、航放）綜合勘查系統(tǒng)，形成了一套安全系數(shù)高、工作效率高、測(cè)量質(zhì)量高的實(shí)用化無(wú)人機(jī)航空物探綜合測(cè)量技術(shù)，同時(shí)開展了示范應(yīng)用工作，取得了好的成果，是無(wú)人機(jī)技術(shù)和航空物探技術(shù)相結(jié)合的成功典范，推動(dòng)了我國(guó)無(wú)人機(jī)航空物探新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

航空地球物理探測(cè)，簡(jiǎn)稱航空物探，是地球物理勘探技術(shù)與航空技術(shù)相結(jié)合的一門高技術(shù)，其實(shí)質(zhì)是將航空飛行器作為運(yùn)載工具，裝載地球物理探測(cè)儀器在空中完成地球物理信息采集，快速獲取并研究地球巖石圈、特別是與地殼有關(guān)的多種地球物理場(chǎng)信息（如磁場(chǎng)、電磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、放射性場(chǎng)），研究和尋找地下地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)的一種物探方法。目前常用的航空物探方法有航空磁法、航空伽瑪放射性測(cè)量、航空電磁法和航空重力測(cè)量等四類，構(gòu)成對(duì)地探測(cè)技術(shù)的重要組成部分。

航空物探具有效率高、成本較低，便于大面積工作、探測(cè)深度較大等優(yōu)點(diǎn)，是基礎(chǔ)性和公益性地質(zhì)調(diào)查、戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查的重要手段，是地質(zhì)勘查現(xiàn)代化的標(biāo)志之一。航空物探在國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中發(fā)揮著重要作用，可為礦產(chǎn)資源與油氣勘查資源調(diào)查評(píng)價(jià)、海洋地質(zhì)調(diào)查、地下水勘查、工程地質(zhì)和環(huán)境調(diào)查、基礎(chǔ)地質(zhì)與研究、軍事與國(guó)防建設(shè)提供信息和成果。

航空物探飛行平臺(tái)的發(fā)展

航空物探飛行器的發(fā)展對(duì)航空物探測(cè)量工作的順利開展并取得良好效果起到至關(guān)重要的作用。50多年來(lái)，隨著航空物探測(cè)量?jī)x器性能的不斷提高、飛行器的不斷發(fā)展，航空物探的機(jī)載平臺(tái)也經(jīng)歷了固定翼飛機(jī)、直升機(jī)、無(wú)人機(jī)等多類、多種型號(hào)。

（1）固定翼平臺(tái)航空物探（磁、電、放、重）

使用固定翼飛機(jī)開展各種航空物探工作是該領(lǐng)域最廣泛也是最成熟的。固定翼飛機(jī)作為多種航空物探技術(shù)的首選飛行平臺(tái)，其優(yōu)勢(shì)主要有具有更大的有效載荷；儀器安裝及飛機(jī)改裝較容易且方案多；飛行姿態(tài)穩(wěn)定，飛行速度較低，適應(yīng)低空飛行。不過(guò)，固定翼平臺(tái)也存在著飛行高度保持難度大，必須使用固定的、條件相對(duì)較好的機(jī)場(chǎng)作為基地以及在針對(duì)大比例尺測(cè)量能力方面略顯不足等問(wèn)題。

（2）直升機(jī)平臺(tái)航空物探

直升機(jī)平臺(tái)的航空物探多以開展航磁測(cè)量和航空（磁、放）綜合測(cè)量為主，航空電磁測(cè)量和航空（電、磁、放）綜合測(cè)量也逐漸應(yīng)用到實(shí)際生產(chǎn)中，直升機(jī)航空重力尚未出現(xiàn)。采用直升機(jī)作為航空物探平臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在具有靈活的機(jī)動(dòng)性，能最大限度地控制航速、離地高度等；直升機(jī)具有低速、大角度轉(zhuǎn)彎以及空中懸停等特性。這也是國(guó)內(nèi)外廣泛開展吊艙式時(shí)間域航空電磁法的主要考慮因素；直升機(jī)平臺(tái)航空物探在作業(yè)基地的選擇上較靈活；但直升機(jī)平臺(tái)也存在不足之處，如整體空間小、干擾強(qiáng)、高頻震動(dòng)劇烈等，發(fā)動(dòng)機(jī)、主槳及尾槳的干擾基本覆蓋了整個(gè)機(jī)身，可提供的儀器安裝方案少，這些不足在測(cè)量數(shù)據(jù)上表現(xiàn)為數(shù)據(jù)噪聲較大、數(shù)據(jù)處理及調(diào)平工作量加大等。

（3）無(wú)人機(jī)平臺(tái)航空物探

近年來(lái)，隨著軍用無(wú)人機(jī)的不斷成熟，通用無(wú)人機(jī)技術(shù)也不斷出現(xiàn)并逐漸發(fā)展成熟。由于具有重量輕、無(wú)人駕駛、耗資低等優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)迅速?gòu)V泛地應(yīng)用到各行業(yè)當(dāng)中。鑒于無(wú)人員傷亡、費(fèi)用低、效率高等特點(diǎn)，以及可預(yù)期的高精度數(shù)據(jù)、低噪聲水平、高空間分辨率的優(yōu)勢(shì)，無(wú)人機(jī)航空物探系統(tǒng)的研發(fā)與應(yīng)用日益受到廣大航空地球物理從業(yè)者的關(guān)注。

無(wú)人機(jī)航空物探的發(fā)展

我國(guó)的無(wú)人機(jī)航空物探研究起步于2010年，最初應(yīng)用的無(wú)人機(jī)是從航模演變而來(lái)的航模型無(wú)人機(jī)，2013年開始真正進(jìn)入無(wú)人機(jī)航空物探綜合站的研發(fā)與應(yīng)用。目前較為常見的無(wú)人機(jī)航空物探主要為航空單磁測(cè)量，無(wú)人機(jī)航空放射性測(cè)量系統(tǒng)的研究則較少。該類型無(wú)人機(jī)主要通過(guò)投射、彈射、滑行等方式起飛，通過(guò)攔網(wǎng)、傘降、滑行等方式回收，但安全回收的成功率仍然不高，這勢(shì)必會(huì)造成不可預(yù)期的成本風(fēng)險(xiǎn)變高。

無(wú)人機(jī)航空物探（磁、放）勘查系統(tǒng)的技術(shù)要求

（1）無(wú)人機(jī)平臺(tái)有效載荷要求

航空放射性測(cè)量系統(tǒng)探測(cè)器通常采用碘化鈉（NaI）晶體、塑料晶體等，單條晶體典型尺寸為10cm×10cm×40cm，重量約17kg。通常多條晶體封裝在一個(gè)絕熱箱內(nèi)，搭載5條晶體總重約120kg，搭載3條晶體總重約65.9kg，該系統(tǒng)的體積和重量都很大；航磁設(shè)備重量則相對(duì)較輕，磁探頭與電子器件總重約2.65kg。因此要求無(wú)人機(jī)平臺(tái)具有大的空間和載荷。

（2）無(wú)人機(jī)性能穩(wěn)定性要求

由于航空物探測(cè)量設(shè)備一般為高技術(shù)設(shè)備，核心技術(shù)多掌握在國(guó)外知名地球物理公司。當(dāng)代航空物探設(shè)備一般具有高分辨率、超高分辨率，大探測(cè)深度，高靈敏度、高精度性能等，因此要求無(wú)人機(jī)在起飛、飛行、降落過(guò)程中姿態(tài)穩(wěn)定，取得高質(zhì)量航空物探數(shù)據(jù)的同時(shí)確保測(cè)量系統(tǒng)性能安全。

（3）數(shù)據(jù)采集技術(shù)要求

(a) 測(cè)區(qū)踏勘，高大建筑物應(yīng)提前做好標(biāo)記；做好測(cè)區(qū)空域及機(jī)場(chǎng)的協(xié)調(diào)。

（b）早晚沿地形平坦開闊的基線進(jìn)行測(cè)試飛行。

（c）沿地形起伏飛行，平均離地飛行高度控制在120m；航速控制在160～200km/h之間。

（d）提前對(duì)準(zhǔn)測(cè)線，保持姿態(tài)進(jìn)線；測(cè)線結(jié)束需保持姿態(tài)平穩(wěn)出線。

無(wú)人機(jī)航空物探系統(tǒng)研發(fā)

依據(jù)“彩虹”3無(wú)人機(jī)性能，結(jié)合航空物探測(cè)量系統(tǒng)，開展了科研攻關(guān)。分別完成了航放測(cè)量系統(tǒng)小型化技術(shù)、無(wú)人機(jī)改裝技術(shù)、航空物探遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)等。

（1）無(wú)人機(jī)載荷艙空間狹小，載荷能力弱，設(shè)計(jì)了小型化主機(jī)和高度集成的晶體探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了航放測(cè)量系統(tǒng)的小型化。

（2）“彩虹”3無(wú)人機(jī)的最大有效載荷為160～180 kg，根據(jù)無(wú)人機(jī)的載荷和結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)無(wú)人機(jī)航空物探測(cè)量系統(tǒng)載荷艙單獨(dú)安裝1箱3條晶體探測(cè)器，磁探頭安裝在無(wú)人機(jī)左側(cè)機(jī)翼前。

（3）根據(jù)無(wú)人機(jī)航空物探作業(yè)需求，研究了無(wú)人機(jī)航空作業(yè)遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)。設(shè)計(jì)了地面監(jiān)控程序，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)航放測(cè)量過(guò)程實(shí)時(shí)控制，遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)觀測(cè)和收錄數(shù)據(jù)等。

無(wú)人機(jī)航空物探系統(tǒng)取得的成果

通過(guò)技術(shù)攻關(guān)，完成了世界上第一套具備實(shí)際作業(yè)能力、基于無(wú)人機(jī)的航空物探（磁/放）綜合勘查系統(tǒng)，取得如下成果：

（1）完成了“彩虹”3無(wú)人機(jī)航空物探（磁/放）綜合站的改造工作，基本達(dá)到實(shí)用化水平；開展了航放、航磁氣動(dòng)優(yōu)化、超低空飛行控制優(yōu)化等工作，低空地形起伏飛行能力和復(fù)雜氣象條件適應(yīng)能力得到顯著提高。

（2）研發(fā)了無(wú)人機(jī)航空磁法測(cè)量遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、小型化無(wú)人機(jī)航空放射性測(cè)量系統(tǒng)，突破了測(cè)量系統(tǒng)的電磁兼容、磁場(chǎng)補(bǔ)償、放射性校準(zhǔn)（數(shù)據(jù)處理）、自主避障和遠(yuǎn)程測(cè)控等技術(shù)難題。

（3）具備了超低空隨地形起伏飛行能力，續(xù)航超過(guò)10h，單架次航程超過(guò)2000km、作業(yè)半徑超過(guò)500km、測(cè)控精度優(yōu)于±10m的長(zhǎng)航時(shí)、大航程、超視距、高精度飛控能力。

（4）開創(chuàng)了航空物探超低空全夜航探測(cè)勘查模式。

（5）系統(tǒng)具備在海拔5000m高山區(qū)開展資源環(huán)境勘查工作的潛力，探索了“一站多機(jī)”測(cè)量方法，單套系統(tǒng)每年度可完成5萬(wàn)～10萬(wàn)測(cè)線千米的飛行測(cè)量工作量。

無(wú)人機(jī)航空物探應(yīng)用

應(yīng)用無(wú)人機(jī)航空物探勘查系統(tǒng)分別完成了黑龍江多寶山、新疆克拉瑪依、塔里木盆地50架次、200飛行小時(shí)的飛行試驗(yàn)，創(chuàng)下了夜航單架次航時(shí)8h、航程1569km的飛行測(cè)量紀(jì)錄。由航放測(cè)量總計(jì)數(shù)率成果對(duì)比圖可知，與有人機(jī)對(duì)比，兩者飛行測(cè)線方向不同，搭載晶體數(shù)量不同，但反映出該地區(qū)的放射性分布狀況基本吻合，無(wú)人機(jī)測(cè)量數(shù)據(jù)能夠反映出已知K異常的存在。由航磁測(cè)量成果對(duì)比圖可知，從數(shù)據(jù)質(zhì)量來(lái)看，與同期開展的Y12固定翼飛機(jī)航測(cè)成果相當(dāng)，甚至更好，圖中標(biāo)注的A、B、C三處細(xì)節(jié)對(duì)比均表現(xiàn)出無(wú)人機(jī)航磁優(yōu)于固定翼飛機(jī)測(cè)量成果。

（上左）航放測(cè)量主機(jī)實(shí)現(xiàn)了小型化。

（上右）航放測(cè)量總計(jì)數(shù)率成果對(duì)比圖（左：無(wú)人機(jī)；右：有人機(jī)）。

（下）航磁測(cè)量成果對(duì)比圖（左：無(wú)人機(jī)；右：有人機(jī)）。

未來(lái)展望

無(wú)人機(jī)航空物探之所以倍受青睞，主要是因?yàn)闊o(wú)人機(jī)平臺(tái)具有安全性好、適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)高效、減少傷亡等優(yōu)勢(shì)。這種新的航測(cè)作業(yè)方式目前僅適用于開展小面積的大比例尺高精度測(cè)量工作，要開展大面積的勘查任務(wù)，尚需要在諸如障礙物自動(dòng)規(guī)避、提高沿地形起伏的三維航線規(guī)劃、鏈路通視分析、數(shù)據(jù)加密保護(hù)以及制定標(biāo)準(zhǔn)化的工作流程等方面進(jìn)一步開展研究工作。隨著無(wú)人機(jī)平臺(tái)的發(fā)展和推廣應(yīng)用工作的深入，無(wú)人機(jī)航空物探測(cè)量技術(shù)必將在礦產(chǎn)資源勘查、環(huán)境航空調(diào)查、核應(yīng)急等工作中發(fā)揮更大的作用。 ■