旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)在備戰(zhàn)鐵礦的應用

武雪山 黃松 于昌明 張建收 余益敏 李泯

摘? ?要：備戰(zhàn)鐵礦地處西天山伊犁地塊東北緣活動帶中，為中高山區(qū)，屬高山深切地貌。經近十年開發(fā)，礦體淺層規(guī)模及形態(tài)已基本查明，深部潛力有待進一步挖掘。由于地形切割劇烈，該礦區(qū)地面地球物理工作困難。采用小型旋翼無人機及數(shù)采組成的航磁測量系統(tǒng)在備戰(zhàn)鐵礦開展測試與應用，獲得關鍵區(qū)域高精度磁異常數(shù)據(jù)。通過約束模型分析，推測深部分布有隱伏礦體。

關鍵詞：備戰(zhàn)鐵礦;旋翼無人機;航磁

航空磁測是磁法勘探中應用最廣泛的方法之一，具速度快、勘探成本低特點，可覆蓋火山、森林、極地、高原等地面磁測人員難以進入地區(qū)[1]。傳統(tǒng)航空磁測在大面積、大規(guī)模地質調查及礦產普查方面適用度很高，但在氣候條件惡劣，規(guī)模小的區(qū)域很難滿足需求，無人機航測則可解決此難題[2-3]。目前無人機航磁技術發(fā)展迅速，2003年英國Magsurvey公司首次開發(fā)了PrionUAV航空磁力測量系統(tǒng)[4-7]。國內裝備系統(tǒng)及測試方法等也取得一定進展，中國地質科學院地球物理與地球化學勘探研究所研發(fā)了CH-3測量系統(tǒng)，并在多寶山地區(qū)展開應用[8-12]。目前無人機航磁系統(tǒng)搭載平臺主要分為固定翼和旋翼兩種，固定翼飛機對起降機場要求較高，飛行速度快，適合大區(qū)域掃描;旋翼直升機具成本低、起落、運輸、控制方便、飛行速度慢等特點，適合小區(qū)域精細測量。隨著備戰(zhàn)鐵礦區(qū)開發(fā)工作的開展，高山深切地貌進一步加劇，地球物理工作難度加大。本文采用六軸旋翼鋰電池無人機搭載的以光泵磁測傳感器為主體的數(shù)采測量系統(tǒng)，在備戰(zhàn)鐵礦進行無人機航磁測量，獲得關鍵區(qū)域高精度磁異常數(shù)據(jù)?；谛虏杉拇女惓＿M行精細分析，結合鉆探剖面，對礦區(qū)深部隱伏礦體進行推測。

1? 旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)

1.1? 旋翼無人機平臺

無人機在攝影、遙感等方面應用廣泛，將測量模塊與無人機剛性耦合，直接掛載在無人機上，飛行平臺本身干擾很小。由于磁場探測中飛行平臺磁干擾問題突出，需采取措施，從系統(tǒng)架構和材料兩方面進行設計。材料選擇全機身碳纖維材料飛行平臺，在保證自身強度和耐用性情況下，有效減輕飛機自重，碳纖維材料不會引起周圍空間磁場畸變。由于動力系統(tǒng)不可避免產生背景噪聲，系統(tǒng)架構采用非對稱水平懸掛技術，可最大限度增加磁探頭與電機間距離，減小干擾。

旋翼無人機航磁測量由飛行平臺和數(shù)字采集系統(tǒng)組成。選用飛行平臺為六軸旋翼無人機（型號為DJI-M600 PRO），鋰電池為動力。為最大限度降低載荷重量，采用重量較輕的銣光泵為磁傳感器，通過長4 m的碳纖維長桿與機身剛性連接，保證數(shù)字采集系統(tǒng)方位相對固定，極大程度降低了飛行平臺產生的本底磁干擾（圖1）。數(shù)字采集系統(tǒng)由3部分組成，第一部分為磁場測量模塊，包括高精度銣光泵磁測傳感器，重約133 g，主要用于測量地磁總強度，三軸磁通門傳感器，可記錄地磁場三分量磁場強度;第二部分為高度計、溫度計和姿態(tài)傳感器等，記錄飛機飛行狀態(tài)及周圍環(huán)境傳感器;第三部分為數(shù)據(jù)采集器，包括數(shù)據(jù)轉換模塊、數(shù)據(jù)儲存模塊等，用于獨立飛行控制系統(tǒng)記錄傳感器各種信息。

集成旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)最大起飛海拔高度4 000 m，最大可承受風速8 m/s，最大飛行時間25 mins，飛行速度10 m/s。系統(tǒng)具自由起落、靈活操縱、充電方便、抵御惡劣天氣等特點。系統(tǒng)主要參數(shù)見表1。

1.2? 數(shù)據(jù)采集及處理流程

野外數(shù)據(jù)采集需結合研究區(qū)地形特點及勘察目標特征進行測線設計，需考慮無人機飛行速度、飛行高度、航程等限制因素。通過野外測量，得到飛行平臺傳感器實測磁場、高度、姿態(tài)等數(shù)據(jù)及地面磁日變收錄數(shù)據(jù)。

無人機航磁數(shù)據(jù)處理基本流程包括預處理、校正處理、磁異常計算。①預處理。獲得數(shù)據(jù)后，進行飛行數(shù)據(jù)預處理，在此步驟進行數(shù)據(jù)清洗。對磁傳感器采集狀態(tài)進行評估，對原始數(shù)據(jù)中突跳點進行刪除，對冗余數(shù)據(jù)進行刪選、姿態(tài)評估及矯正等處理，得到完整的測線磁場數(shù)據(jù);②校正處理。通常需進行日變改正、正常場改正、高度改正。日變校正采用測區(qū)內同步觀測的日變數(shù)據(jù)，如日變測量每秒采樣率低于空中測量每秒采樣率，缺少的數(shù)據(jù)采用線性內插值獲得。正常場矯正利用帶年變的國際地磁參考場（IGRF）模型[13]，逐點計算正常場進行校正，據(jù)選定基點進行高度改正。

2? 研究區(qū)應用測試

2.1? 測區(qū)概況

備戰(zhàn)鐵礦位于我國著名的天山成礦帶，該區(qū)地質構造復雜，成礦作用多樣。備戰(zhàn)鐵礦處于伊犁微板塊伊犁石炭紀裂谷帶東端，裂谷帶南北以尼勒克斷裂及拉爾墩斷裂為界，北部為博羅科努早古生代陸緣褶皺帶，南部為巴侖臺古陸塊，出露地層為古元古界那拉提巖群片麻巖巖系[14]。礦體產于晚石炭世石英二長斑巖與大哈拉軍山組灰?guī)r接觸帶，地表露頭較少，呈隱伏狀態(tài)。主要巖石礦物及磁黃鐵礦具強磁性，據(jù)磁異?？膳袛嗟V體傾向及預測隱伏礦體[15]。備戰(zhàn)礦區(qū)位于西天山伊連哈比爾尕山東段天山主峰-博羅霍洛山北坡天山主脊附近，為中高山區(qū)，地形切割劇烈。山體走向呈近 EW向，總體地勢南高北低，坡度25°～35°，溝深坡陡，屬高山深切地貌。

前人對西天山地區(qū)備戰(zhàn)鐵礦進行了1∶5萬航磁普查1。據(jù)收集的備戰(zhàn)礦區(qū)巖石物性統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，備戰(zhàn)鐵礦區(qū)正常沉積的細碎屑與粗碎屑巖類多為低磁性;侵入巖類從酸性到基性，磁化率逐漸增強;火山巖類中從酸性巖（流紋巖）→中性巖（安山巖）→基性巖（玄武巖）磁化率逐漸增強;變質巖物性取決于原巖巖性與變質程度，偏向無磁與弱磁性。認為礦區(qū)磁鐵礦石具高磁化率，與圍巖區(qū)分度大。

2.2? 研究區(qū)測試應用

本次無人機航磁進行了小面積數(shù)據(jù)采集實驗。據(jù)前期研究結果，飛行區(qū)域集中在礦體產出最好地段。數(shù)據(jù)采集以揭示主體礦脈特征為目標，共布置5條平行測線。整體飛行方向大致與主體礦脈垂直，直線距離約2 200 m，線距200 m，飛行測線見圖2中虛線所示。將設計測量任務輸入飛行控制系統(tǒng)后，旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)可按規(guī)劃的測量路線進行自主飛行采集數(shù)據(jù)，無需手動操作。在控制終端可進行實時狀態(tài)監(jiān)控，處理突發(fā)事件。采集數(shù)據(jù)經預處理、各種校正和計算后，得到磁異常數(shù)據(jù)（圖3-a）。西天山地區(qū)開展1∶5萬航空磁測，其中備戰(zhàn)鐵礦區(qū)磁異常特征明顯（圖3-b），強度大，在等值線平面圖上為一較規(guī)則的南正北負異常。據(jù)無人機航磁采集結果，磁異常呈近EW向展布，經過礦體部分出現(xiàn)明顯高磁異常，整體形態(tài)與之前采集的航磁異常特征一致。由于EW向控制距離較短，未見異常閉合。通過旋翼無人機航磁測量數(shù)據(jù)結果發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域異常特征明顯，主礦體高值異常突出，與1∶5萬航磁結果變化趨勢一致，無人機航磁結果具更細致的磁場變化信息。

2.3? 約束建模

據(jù)礦區(qū)地質資料，區(qū)內巖漿活動強烈，以火山巖、淺成次火山巖為主，矽卡巖化是控制鐵礦體的主要因素。礦石礦物主要為磁鐵礦、磁赤鐵礦，少量磁黃鐵礦等，它們是引起磁異常的主要因素?；谛虏杉暮酱刨Y料，我們開展了磁異常約束建模工作，選取飛行區(qū)域內一條擁有良好鉆孔控制的勘探剖面進行二度半人機交互反演。主要步驟為：據(jù)研究區(qū)已有約束信息，建立合理的二維初始地質模型，并設置延伸長度，為二度半模型。通過人機交互方式修改初始地質模型，并實時進行二度半正演計算，使之擬合觀測磁力值，從而獲得研究區(qū)合理地質模型。收集相關資料，結合巖石物性分析結果，建立反演剖面初始模型，有鉆井控制的礦脈為已知控制礦體。反演中磁化傾角為63.5°，磁偏角3.25°，磁化強度背景場為0～0.1 A/m。剖面位置見圖2，反演結果見圖4。

從反演結果看，考慮到觀測數(shù)據(jù)精度和實際剖面掌握的信息誤差，在計算數(shù)據(jù)與實測數(shù)據(jù)充分擬合的情況下，推測深部還有一定成礦空間。發(fā)現(xiàn)已有鉆井控制礦體（紅色）部分延伸區(qū)存在隱伏礦體（灰色），深度范圍海拔2 800～3 300 m，推測為已知礦體向上延伸結果。

3? 結論

（1） 本研究基于小型六軸旋翼無人機搭載銣光泵傳感器，采用非對稱水平懸掛的剛性連接技術，完成旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)集成工作。備戰(zhàn)鐵礦區(qū)屬高山深切地貌，通過測試應用，驗證了該系統(tǒng)的可用性和可靠性。該系統(tǒng)充分體現(xiàn)了無人機小型化、智能化突出特點，其靈活機動性使無人機能保持較低的飛行高度，在復雜地形區(qū)域實現(xiàn)低空航磁測量，效率高，可靠性好。需指出的是，由于采用電池動力，旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)單次飛行距離受限，適用于小面積精細測量，不利于大面積航磁測量工作。

（2） 基于新采集的航磁資料，開展磁異常約束建模工作，選取飛行區(qū)域內一條有鉆孔控制的勘探線進行二度半人機交互反演，推測該區(qū)隱伏礦體的分布。

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Abstract： The Beizhan iron ore is located in the active zone of the northeast edge of the Yili massif in the Western Tien Shan， which is a medium-high mountainous area and belongs to the deep mountainous terrain. After nearly ten years of development， the shallow scale and morphology of the ore body have been basically identified， and the deep potential needs to be further explored. The ground geophysical work in this area is difficult due to the intense topographic cutting. In this paper， an aerial magnetic survey system composed of a small rotary-wing UAV as well as a digital mining was tested and applied in the prepared iron ore mine， and magnetic anomaly data in key areas were obtained. Through model analysis， the distribution of deep hidden ore bodies was inferred.

Key words： Rotorcraft UAV;Aeromagnetic;Beizhan iron depsit