航空地球物理裝備研發(fā)與技術發(fā)展回顧

孟慶敏, 李軍峰, 肖 都, 胥值禮, 廖桂香,崔志強, 西永在, 黃 威, 賁 放

(1.中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所，廊坊 065000;2.自然資源部地球物理電磁法探測技術重點實驗室，廊坊 065000;3.國家現(xiàn)代地質勘查工程技術研究中心，廊坊 065000)

0 引言

航空地球物理勘探(航空物探)是以飛行器作為搭載工具開展地球物理勘查的技術方法，通過對采集的地下介質的地球物理信息進行解譯，研究地下構造，地質體分布，解決基礎地質及礦產(chǎn)、環(huán)境等問題，具有快速、高效、應用領域廣、不受地面因素限制等優(yōu)勢，可在高山、湖泊、沼澤、森林等地面人員無法進入的區(qū)域開展工作[1-3]。作為“十四五”及國家遠景目標推動地質調查工作轉型升級的重要技術手段，航空物探在保障我國自然資源安全、建成地球系統(tǒng)科學理論與探測技術體系、查明區(qū)域重大資源環(huán)境問題、實施國家重大工程建設安全評價等方面有著重要的支撐作用。

第二次世界大戰(zhàn)期間，為了探測潛艇，將磁力儀安裝在飛機上進行測量，航空物探由此誕生[4]。此后，1944年至上世紀50年代末，航空放射性測量，航空電磁法測量，航空重力測量相繼開展。從上世紀80年代開始，航空物探在礦產(chǎn)普查、區(qū)域地質調查、水文地質調查、工程地質勘查等方面發(fā)揮了重要作用。我國航空物探工作起步于20世紀50年代，1959年，作為我國最早研究開發(fā)航空物探測量系統(tǒng)的單位之一，物化探所聯(lián)合航空物探隊等8家單位聯(lián)合研究航空電磁測量系統(tǒng)，研發(fā)了長導線半航空電磁測量系統(tǒng)，從此拉開了國內航空物探研究的序幕[5]。從1959年到2006年，航空物探研究的重點是研發(fā)航空電磁測量系統(tǒng)，同時集成航磁，形成航空物探(電/磁)綜合測量系統(tǒng)。上世紀70年代物化探所成功研發(fā)了固定翼頻率域航空電磁測量系統(tǒng)，后改進定型為HDY-302型航空電磁儀，與航空磁測系統(tǒng)共同安裝于Y11飛機上，形成Y11航空物探(電/磁)綜合測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)是上世紀我國唯一的自主研發(fā)航空物探綜合測量系統(tǒng)，在山東、安徽、吉林、遼寧、河北、江西、江蘇等地完成了超過16×104測線千米的測量，在金礦普查、淺層水資源調查、基礎地質調查等方面效果顯著；1997年物化探所研發(fā)了三頻航空電磁測量系統(tǒng)，與航磁系統(tǒng)一起安裝在Y11B飛機上，組成Y11B航空物探(電/磁)綜合測量系統(tǒng)。2001年，系統(tǒng)再次升級，形成Y12航空物探(電/磁)綜合測量系統(tǒng)，在甘肅和吉林進行了淺層水資源調查，成效顯著。頻率域航空電磁系統(tǒng)具有安全、測量效率高等優(yōu)勢，但探測深度相對較淺[6-10]。

圖1 Y12航空物探(電/磁/放)綜合站Fig.1 Y12 airborne geophysical (electromagnetic/magnetic/gamma spectrometer) complex station

“十一五”以來，經(jīng)濟社會迅猛發(fā)展，作為重要支撐，國家對水資源、礦產(chǎn)、油氣等自然資源的需求日益增大，環(huán)境監(jiān)測、災害預警等領域也亟需完善，故而創(chuàng)新驅動新型地質環(huán)境探測裝備的研發(fā)勢在必行。2006年至2021年，國家啟動國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)以及國家重點研發(fā)計劃均對航空地球物理勘查技術與裝備研發(fā)進行了大力支持，研發(fā)成功了iFTEM固定翼時間域航空電磁測量系統(tǒng)，并開展了試生產(chǎn)工作，各項技術指標均達到或超過國外同類系統(tǒng)的先進水平，探測深度、數(shù)據(jù)噪聲水平滿足實用化需求，為我國目前唯一的固定翼時間域航空電磁測量系統(tǒng)[11-15]。與此同時，直升機時間域航空電磁系統(tǒng)以及國產(chǎn)有人機、無人機航磁系統(tǒng)也成功研發(fā)。2007年～2008年，在地質調查項目的支持下，以三頻航空電磁系統(tǒng)為主，集成航磁、航放于Y12飛機上，組成Y12航空物探(電/磁/放)綜合測量系統(tǒng)，在內蒙開展了大面普查工作，取得了顯著的地質效果[16-22]。此外，近15年來，物化探所還在國內首次引進并集成了直升機航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)適合復雜地形條件下開展航空物探測量，引領了我國直升機航空物探綜合測量的先河[23-25]；研發(fā)了基于中型無人機的航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)，并進行了大面積測量工作，在油氣盆地基礎地質調查中發(fā)揮了重要作用[26-28]；除系統(tǒng)研發(fā)和綜合測量外，數(shù)據(jù)處理方法技術研究以及軟件平臺研發(fā)也取得了豐碩成果[29-33]。

這里以物化探所航空物探裝備研發(fā)、數(shù)據(jù)處理與解釋、應用領域等為切入點，簡要介紹近15年航空物探領域取得的技術創(chuàng)新與突破，應用成果與進展，并對航空物探的未來發(fā)展進行了展望。

1 頻率域航空電磁測量系統(tǒng)和Y12航空物探(電/磁/放)綜合站

1.1 儀器裝備研發(fā)進展

自上世紀70年代，我國先后成功自主研發(fā)單頻、雙頻、三頻等HDY系列頻率域翼尖硬架航電系統(tǒng)。2000年以來，HDY-402三頻航電系統(tǒng)與航磁、航放組成Y12航空物探多參數(shù)測量綜合站，廣泛應用于區(qū)域地質調查、巖性填圖、多金屬礦產(chǎn)勘查、淺層水資源調查、土壤鹽漬化調查等方面，并在吉林白城、內蒙古二連浩特-東烏旗等地區(qū)完成了超過52×104km的勘查工作，取得了較好的地質效果[3,10]。

1.2 系統(tǒng)應用成果

電/磁/放航空物探綜合站是航空電磁、航空磁法和航空伽瑪能譜三種方法的綜合，多參數(shù)測量可以提高航空地球物理地質解釋效果，尤其在研究區(qū)域地質構造、圈定斷裂帶、火成巖體、進行巖性構造填圖以及開展鐵、有色金屬等成礦預測方面效果顯著。Y12航空物探(電/磁/放)綜合站自應用以來，編錄航電異常近500個，航磁異常近5 000個，航放異常一百余個，劃分線性構造六百余條，環(huán)形構造近100個，圈定隱伏巖體壹佰八十余個，劃分各類找礦遠景區(qū)一百余個，各類找礦靶區(qū)一百二十個。圖2是根據(jù)航空物探綜合測量篩選出的航電異常，經(jīng)地面查證表明該異常帶是含礦化斷裂破碎帶的反映。鹽漬化與地下水關系密切，圖3是吉林白城航電推斷土壤鹽漬化圖，含鹽量越高，電性越好，反之亦然[6-7]。

圖2 內蒙某區(qū)航空電磁異常綜合剖析圖Fig.2 Comprehensive analysis map of airborne electromagnetic anomaly in a region of Inner Mongolia(a)頻率域航電綜合曲線圖;(b)地質背景

圖3 白城航空電磁推斷鹽漬化程度圖Fig.3 Degree of salinization inferred by airborne electromagnetic in Baicheng

圖4 iFTEM-Ⅱ固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)Fig.4 iFTEM-II Fixed-wing time domain electromagnetic system(a)系統(tǒng)整備狀態(tài);(b)接收吊艙;(c)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng);(d)隔離高壓電源與發(fā)射機

圖5 內蒙古興安盟地區(qū)某測線電阻率反演及地質解譯剖面圖Fig.5 Resistivity inversion and geological interpretation profile of a survey line in Hinggan League, Inner Mongolia(a)電阻率深度反演圖;(b)地質解譯圖

圖6 直升機航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)Fig.6 Helicopter airborne geophysical (magnetic/ gamma spectrometer) integrated survey system(a)儀器柜背板插口;(b)導航軟件界面;(c)銫光泵磁力儀;(d)直升機航空物探綜合測量系統(tǒng);(e)儀器操作面板;(f)地面測試;(g)航磁探桿支架

圖7 直升機航空物探(磁/放)綜合調查成果Fig.7 Comprehensive results of helicopter airborne geophysical (magnetic/ gamma spectrometer) survey(a)航磁ΔT等值線平面圖;(b)航空伽馬能譜總量等值線平面圖;(c)航空物探推斷巖性構造圖;(d)航磁ΔT化極圖;(e)巖體三維反演圖

2 時間域航空電磁測量系統(tǒng)

2.1 儀器裝備研發(fā)進展

頻率域航空電磁法對于埋藏較淺的目標體具有較強的分辨能力，但是探測深度較淺，薄層探測能力弱，不能滿足當下深地探測目標的需求，亟需時間域航空電磁的研發(fā)。因研發(fā)技術難度大，涉及學科廣，專用化程度高，西方國家長期對我國進行技術封鎖和設備禁賣。在2006年和2012年國家863計劃的支持下，經(jīng)過十余年的創(chuàng)新研發(fā)，于2015年研發(fā)了iFTEM-Ⅰ型固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)并開展了2 000測線千米的科研試飛，但是由于其有效勘探深度和單架次續(xù)航能力需要進一步完善以滿足實用化需求，2017年，在國家重點研發(fā)計劃的支持下，在iFTEM-Ⅰ型系統(tǒng)基礎上，突破了瞬時千安級多波脈沖發(fā)射、動態(tài)強干擾下微弱信號提取、復雜氣動外形飛行器改裝與試飛、數(shù)據(jù)精細化處理及三維正反演等技術難題，研發(fā)了iFTEM-Ⅱ型固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)，關鍵性能指標超過國外同類型系統(tǒng)，核心部件全部實現(xiàn)自主設計和國產(chǎn)化,探測深度超過650 m，噪聲水平優(yōu)于2n T/s,在基礎地質、水文地質調查示范應用中取得明顯成效,填補了我國固定翼時間域航空電磁探測技術裝備空白[34-37]?！笆濉逼陂g，我國自主研制的直升機時間域航空電磁系統(tǒng)和航空大地測量系統(tǒng)也完成了試驗飛行[38]。

2.2 系統(tǒng)應用成果

時間域航空電磁系統(tǒng)在區(qū)域性基礎地質調查、地下水資源勘查、重要金屬礦產(chǎn)普查、生態(tài)環(huán)境與災害調查等方面能發(fā)揮重要作用，能夠為快速解譯地質構造、識別含水層結構、圈定多金屬成礦遠景區(qū)、劃分土壤鹽漬化等提供技術支撐。iFTEM-II固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)2021年在吉林白城-松原、內蒙古興安盟等地區(qū)開展了航空電磁測量工作。在淺部，清晰刻畫了含水層、隔水層等結構變化，與已有水文地質資料高度吻合，新圈定了富水有利區(qū)域；在深部，解譯了800 m以淺白堊紀地層電性結構及活動斷裂空間展布，與已知鉆孔、測井資料對應良好。應用成果有效支撐了松嫩平原山前地帶地質構造復雜區(qū)和低平原區(qū)基礎地質、水文地質調查工作[39-40]。

3 航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)

3.1 儀器裝備研發(fā)

2010年，物化探所在國內首次引進并集成了直升機航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)。通過技術創(chuàng)新，掌握了包括航空磁/放集成技術、安裝調試及飛行技術、磁干擾動態(tài)補償、數(shù)據(jù)處理及解釋在內的整套方法技術。此后，通過調查實施，直升機航空物探(磁/放)綜合測量技術成為國內地形復雜區(qū)基礎地質調查、礦產(chǎn)地質普查主要的航空物探方法技術[41]。

3.2 系統(tǒng)應用成果

近十年來，運用該測量系統(tǒng)完成了大面積的高精度調查任務，先后在湖南、貴州、江西、陜西、甘肅等地多個重要成礦區(qū)帶完成了逾50×104測線千米的調查任務。該系統(tǒng)具分辨率高、地形適應能力強、機動靈活等優(yōu)點。高質量測量成果展示出相關地質構造的新信息，新發(fā)現(xiàn)與礦化、隱伏巖體或構造相關的航磁、航空伽瑪能譜異常數(shù)百處，圈定數(shù)十個找礦有利遠景區(qū)和靶區(qū)。經(jīng)初步查證，新發(fā)現(xiàn)多處找礦有利礦化蝕變線索，為成礦帶基礎地質研究和礦產(chǎn)勘查提供了高質量的地球物理資料，獲得了廣泛認可[23-24]。

4 無人機航空物探綜合測量系統(tǒng)

近十五年來，國內無人機航磁測量技術研究方面取得了一系列重要成果。物化探所在無人機航磁改裝與系統(tǒng)集成，數(shù)據(jù)處理與軟件平臺開發(fā)等方面取得了重要成果。

4.1 無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)

2013年～2015年，基于國產(chǎn)彩虹3(CH-3)中型固定翼無人機，研制了國內首套實用化的中型無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)，實現(xiàn)了我國實用化無人機航空物探綜合測量系統(tǒng)從無到有的轉變，取得了顯著的社會經(jīng)濟效益。突破了無人機平臺改裝、遠程測控、超低空隨地起伏飛行、三維航跡規(guī)劃、數(shù)據(jù)處理技術等關鍵技術。系統(tǒng)具有長航時、全夜航、精準測控等優(yōu)勢，可安全、高質、高效地完成大規(guī)模航磁測量任務。完成了國內外油氣、礦產(chǎn)資源無人機航空物探調查任務總計約26×104測線千米，取得了高質量的航空物探測量數(shù)據(jù)和很好的地質效果。該系統(tǒng)曾分別獲得2013年中國地質學會十大地質科技進展獎、2013年中國地質科學院十大科技進展獎[27,42-43]。

圖8 CH-3中型無人機航空物探測量系統(tǒng)Fig.8 CH-3 Aeromagnetic measurement system for medium UAV(a)無人機航空物探測量系統(tǒng);(b)地面測控站;(c)飛行狀態(tài)

4.2 小型無人機航磁測量系統(tǒng)

由于小面積精細航空磁法測量的需求不斷增加，自2017年起，在CH-3固定翼無人機航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)成功研發(fā)的基礎上，精準把握市場方向、主動拓展技術領域，迅速開展了更加靈活的、基于垂直起降無人機平臺的航磁測量系統(tǒng)研究，成功研制了小型化航磁收錄系統(tǒng)，研發(fā)了無人直升機、復合翼無人機和多旋翼無人機航磁測量系統(tǒng)，完成近2 000 km的試生產(chǎn)飛行，取得了高質量的測量數(shù)據(jù)[44]。

圖9 CH-3無人機和Y12有人機航磁測量效果對比圖Fig.9 Comparison of aeromagnetic measurement effect between CH-3 UAV and Y12(a)CH-3無人機航磁ΔT等值線圖;(b)Y12有人機航磁ΔT等值線圖

圖10 自主研發(fā)小型航磁收錄系統(tǒng)Fig.10 Self-developed small aeromagnetic collection system

圖11 多種小型無人機平臺的航磁測量系統(tǒng)Fig.11 Aeromagnetic measurement system for a variety of small UAV platforms(a)iHUAM無人直升機航磁測量系統(tǒng);(b)iHVUAM無人復合固定翼航磁測量系統(tǒng)

圖12 基于oasis montaj 平臺的航空物探(磁/電/放)數(shù)據(jù)綜合處理軟件系統(tǒng)Fig.12 The integrated processing software system of airborne geophysical (magnetic/electrical/gamma spectrometer) data based on oasis montaj platform

圖13 自主開發(fā)的航跡規(guī)劃及數(shù)據(jù)處理平臺Fig.13 Independently developed platform for track planning and data processing(a)航跡規(guī)劃;(b)飛行高度設計;(c)航磁補償曲線圖

圖14 固定翼時間域航空電磁數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)Fig.14 Fixed wing time domain airborne electromagnetic data processing software system

這些小型化無人機平臺的航磁系統(tǒng)，既具有固定翼無人機飛控精度高、全天時作業(yè)、成本低、人員安全等優(yōu)點，又具有垂直起降能力，運輸極為方便，只需兩名飛控員即可開展工作，野外飛行作業(yè)十分靈活，可以作為有人機和滑跑中大型無人機航空地球物理測量系統(tǒng)的有效補充，特別是在中小面積詳查方面具有很好應用前景。

5 航空物探數(shù)據(jù)處理和軟件平臺

5.1 航空物探(磁/電/放)數(shù)據(jù)綜合處理軟件

2010年～2012年，基于加拿大Geosoft公司Oasis montaj軟件平臺，研發(fā)了實用化的航空物探(磁/電/放)數(shù)據(jù)綜合處理軟件系統(tǒng)，形成了一套較完善的航空物探數(shù)據(jù)處理技術體系。系統(tǒng)具備航磁、頻率域航電、航放數(shù)據(jù)批處理功能，在多個航空物探項目中得到了廣泛應用，累計完成了超過90×104測線千米航空物探調查數(shù)據(jù)綜合處理，取得了高質量基礎成果數(shù)據(jù)。系統(tǒng)應用效果顯著，對提高海量數(shù)據(jù)處理解釋的質量和效率起到了重要作用[45-54]。

此外，針對無人機在起伏地形環(huán)境的自主飛行、以及航磁數(shù)據(jù)的快速處理等需求，在Geosoft軟件平臺上二次開發(fā)了一系列具有自主知識產(chǎn)權的無人機航空地球物理綜合處理平臺。

5.2 自主研發(fā)航空物探大數(shù)據(jù)處理軟件平臺

2017年-2021年，物化探所自主研發(fā)了航空物探數(shù)據(jù)處理軟件平臺，打破了長期依賴國外軟件平臺的局面，在大數(shù)據(jù)支撐方面具有獨特優(yōu)勢。采用面向對象數(shù)據(jù)庫技術，突破了大數(shù)據(jù)存儲、顯示和處理瓶頸，實現(xiàn)了海量、多樣數(shù)據(jù)(多類型/多采樣率)統(tǒng)一存儲管理和可視化展示，解決了數(shù)據(jù)存儲格式不統(tǒng)一、數(shù)據(jù)管理混亂、數(shù)據(jù)存取效率低下等問題。該平臺已成功應用于固定翼時間域航空電磁數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，取得了顯著應用效果。

數(shù)據(jù)處理方面，針對固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)數(shù)據(jù)特點，攻克了多源噪聲壓制、背景場去除、疊加抽道、姿態(tài)校正等技術難題，形成了數(shù)據(jù)預處理技術流程，突破大數(shù)據(jù)存儲、處理、顯示的瓶頸，創(chuàng)新研發(fā)了時間域航空電磁數(shù)據(jù)處理平臺，顯著提高了數(shù)據(jù)處理效率，噪聲水平優(yōu)于2 nT/s，為系統(tǒng)實現(xiàn)大深度探測及精細化解譯地下電性結構提供了必備前提[55-63]。正反演方法技術方面，國內大量學者進行了航空電磁正反演理論與應用研究，在推進航空電磁數(shù)值模擬技術，裝置參數(shù)設定，反演解釋實用化等方面起到重要推動作用[64-66]。

6 總結與展望

近15年來，物化探所研發(fā)了具有世界先進水平的固定翼時間域航空電磁測量系統(tǒng)，并在方法技術研究、數(shù)據(jù)處理和綜合解釋等方面取得積極進展，已經(jīng)形成了實用化的測量系統(tǒng)；在自主研發(fā)的三頻航空電磁測量系統(tǒng)的基礎上，集成了航磁、航放，形成了固定翼航空物探(電/磁/放)綜合測量系統(tǒng)，并進行了大量飛行測量，地質效果突出；在國內首先研發(fā)成功基于直升機的航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)，并在全國推廣，成為復雜地形條件下航空物探綜合測量的標配；研發(fā)成功了基于CH-3中型無人機的航空物探(磁/放)綜合測量系統(tǒng)并開展了油氣資源集成調查；研發(fā)成功了輕量化航磁測量系統(tǒng)并安裝在無人機直升機、復合翼無人機、多旋翼無人機等多種小型無人機平臺，形成了適合不同條件的無人機航磁測量系統(tǒng)。針對上述航空物探方法，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權的數(shù)據(jù)處理和軟件平臺。

航空物探作為推進自然資源勘查前沿技術發(fā)展的重要方法技術，對于支撐經(jīng)濟社會發(fā)展、資源與環(huán)境開發(fā)與監(jiān)測、地質災害監(jiān)控預警等領域有著重要發(fā)展前景，為了更好適應不同的需求，儀器裝備方面，應以現(xiàn)階段研究成果為基礎，根據(jù)國家及市場需求，將進一步集成創(chuàng)新研究，形成航空電、磁、重、放綜合測量裝備，繼續(xù)開發(fā)直升機、無人機、主動源、被動源等綜合系統(tǒng)，降低勘查成本，提高系統(tǒng)可靠性，擴展應用領域。數(shù)據(jù)處理與解釋方面，進一步豐富數(shù)據(jù)去噪與校正方法技術手段，提高數(shù)據(jù)信噪比，聯(lián)合處理反演多種航空地球物理數(shù)據(jù)，降低多解性，提高數(shù)據(jù)處理精度，并利用綜合地質建模等方法技術研究，提高數(shù)據(jù)處理與解釋水平；應用領域方面，進一步拓展應用領域，開展區(qū)域性基礎地質調查、地下水資源勘查、重要金屬礦產(chǎn)普查、生態(tài)環(huán)境與災害調查等，為快速解譯地質構造、識別含水層結構、圈定多金屬成礦遠景區(qū)、劃分土壤鹽漬化等提供高新技術支撐。