一種高精度航空磁法測(cè)量系統(tǒng)

王濤 牛云飛 高定州

(北京探創(chuàng)資源科技有限公司 北京 100071)

世界上礦產(chǎn)資源種類(lèi)萬(wàn)千，總體而言可劃分為金屬礦物和非金屬礦物兩大類(lèi)；能源礦物和非能源礦物。而磁法勘探通過(guò)研究巖礦石磁性差異來(lái)查明地質(zhì)構(gòu)造和礦產(chǎn)資源分布規(guī)律，在富含磁性礦物的金屬礦床中效果尤為顯著。而通過(guò)低空航空磁法勘探可以快速在地形復(fù)雜地區(qū)進(jìn)行測(cè)量，保障人員安全，快速圈定找礦靶區(qū)，指導(dǎo)后期勘探，縮減勘探成本。目前，北京探創(chuàng)公司自主開(kāi)發(fā)了無(wú)人機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)，包含無(wú)人機(jī)采集硬件組合系統(tǒng)和配套的地面數(shù)據(jù)處理軟補(bǔ)償系統(tǒng)。

1 低空航磁測(cè)量系統(tǒng)

目前，低空航磁測(cè)量飛行系統(tǒng)主要有動(dòng)力三角翼滑翔機(jī)載低空航磁系統(tǒng)、無(wú)人飛艇載超低空航磁測(cè)量系統(tǒng)、無(wú)人機(jī)超低空航磁測(cè)量系統(tǒng)這3 種。其中近年來(lái)無(wú)人機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，更安全穩(wěn)定，效率高，逐漸占領(lǐng)更多市場(chǎng)份額。（1）多旋翼無(wú)人機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可隨地形飛行，飛行高度低，可方便做大比例尺磁測(cè)，但是飛行時(shí)間短，不如固定翼效率高。（2）固定翼無(wú)人機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)效率高，飛行速度快，可隨地形飛行，但是對(duì)場(chǎng)地有要求，需起跑道，降落點(diǎn)不易控制。（3）近幾年興起的垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)，同時(shí)兼容多旋翼機(jī)和固定翼機(jī)的優(yōu)勢(shì)，能夠更安全有效地操作，在行業(yè)中異軍突起[1-4]。

2 無(wú)人機(jī)航磁系統(tǒng)組成

目前設(shè)計(jì)為HC01 飛鯊電動(dòng)垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)搭配西安華舜磁通門(mén)傳感器。無(wú)人機(jī)航磁系統(tǒng)的構(gòu)成包括：垂直起降固定翼無(wú)人機(jī)飛行器、地面飛行控制站、導(dǎo)航系統(tǒng)、磁通門(mén)磁力儀、數(shù)據(jù)采集模塊。

該系統(tǒng)由無(wú)人機(jī)為旋翼和固定翼組合，旋翼定點(diǎn)起降，安全，對(duì)場(chǎng)地要求不高，航線飛行時(shí)切換為固定翼，可大幅度節(jié)省電量。翼展2.2 m，加上航磁設(shè)備機(jī)長(zhǎng)1.45 m，但是起飛起飛重量?jī)H10 kg，可使續(xù)航時(shí)間長(zhǎng)達(dá)2 h。飛行海拔可達(dá)4 000 m，通信距離20 km，可在高原山區(qū)有效作業(yè)。最重要的是機(jī)身采取全復(fù)合材料，無(wú)人機(jī)與磁力儀采用碳纖維桿固定，固定螺絲采用鋁合金制，無(wú)磁性，僅無(wú)人機(jī)電機(jī)對(duì)航磁設(shè)備有干擾，但我們采取前置電池、后置碳纖維桿硬連接磁力儀方式，減少了無(wú)人機(jī)對(duì)磁力儀的干擾，同時(shí)無(wú)人機(jī)系統(tǒng)易配平衡，整體評(píng)價(jià)為干擾小、不受環(huán)境限制、安全系數(shù)高，結(jié)合自主研發(fā)的配套軟補(bǔ)償系統(tǒng)，可大大提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，做到有效勘探。

圖1為無(wú)人機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖；圖2為地面控制站操作界面。

圖1 無(wú)人機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)實(shí)物圖

圖2 地面控制站操作界面

3 磁補(bǔ)償

磁補(bǔ)償采用事后軟補(bǔ)償進(jìn)行。

（1）以現(xiàn)在的工藝來(lái)說(shuō)，一般磁通門(mén)傳感器三軸正交角度誤差在0.3°以?xún)?nèi)，以每個(gè)分量的磁感應(yīng)強(qiáng)度為40 000 nT（總場(chǎng)69 280 nT），正交誤差為0.2°為例，使用磁通門(mén)傳感器測(cè)量計(jì)算的總場(chǎng)與真實(shí)值差值為243.72 nT，這個(gè)誤差對(duì)于磁法測(cè)量來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的誤差，甚至可以說(shuō)是錯(cuò)誤。于是需要在測(cè)量時(shí)采取同一航向進(jìn)行測(cè)量，以減少誤差。以磁傾角45°，航向正南北為例，在偏航角為5°時(shí)在同一磁感應(yīng)強(qiáng)度下可以產(chǎn)生約40 nT的差值，該誤差不能滿(mǎn)足高精度磁測(cè)的要求，因此需要一種校正的方法來(lái)減少姿態(tài)誤差。

三軸磁通門(mén)傳感器中誤差是由于三軸非正交、數(shù)據(jù)采集卡三通道靈敏度不一致、數(shù)據(jù)采集卡零點(diǎn)漂移、傳感器本身剩余磁場(chǎng)，通過(guò)真實(shí)磁場(chǎng)值與實(shí)際測(cè)量磁場(chǎng)值得關(guān)系建立修正模型[5-6]。根據(jù)理想三軸磁通門(mén)傳感器在測(cè)量同一磁場(chǎng)強(qiáng)度時(shí)測(cè)得數(shù)值與測(cè)量姿態(tài)無(wú)關(guān)的特點(diǎn),建立目標(biāo)函數(shù)。最后,利用支持向量回歸機(jī)（SVR）線性算法計(jì)算出磁傳感器的各個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)。

假設(shè)傳感器三軸分別安裝在OX1、OY1和OZ1，而理想狀態(tài)下傳感器的三軸應(yīng)為OX、OY和OZ。其中，OZ軸與OZ1軸重合,且坐標(biāo)面YOZ與Y1OZ1共面,則可定義OX軸與X1OZ1面之間的夾角為α，與X1OY1面的夾角為γ，OY與OY1之間的夾角為β。實(shí)際傳感器三軸OX1、OY1和OZ1與理想正交三軸OX、OY和OZ的空間轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖3所示。

圖3 傳感器實(shí)際三軸與理想正交三軸關(guān)系

根據(jù)上面的關(guān)系描述可以建立以下公式。

由于3 軸的靈敏度不一致，假設(shè)Z軸的靈敏度為1，設(shè)定Y軸的為KY，Z軸為KZ，有

采集卡存在零點(diǎn)漂移，傳感器里面也存在剩余磁場(chǎng)，最終三軸磁通門(mén)傳感器的實(shí)際輸出為

由于‖B‖（總場(chǎng)），可以利用質(zhì)子磁力儀測(cè)得較為準(zhǔn)確的數(shù)值，因此可以使用實(shí)際測(cè)得的多組B1值采用線性支持向量回歸機(jī)對(duì)式（5）進(jìn)行線性回歸，計(jì)算出C-1，B0，然后對(duì)每組數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

對(duì)該架無(wú)人機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)的三軸磁通門(mén)傳感器進(jìn)行誤差修正實(shí)驗(yàn),在相對(duì)穩(wěn)定的地磁場(chǎng)環(huán)境下,任意改變磁通門(mén)傳感器的擺放姿態(tài),分26 次對(duì)傳感器的三軸輸出B1（t）進(jìn)行測(cè)試并記錄結(jié)果。

利用計(jì)算好的校正參數(shù)對(duì)不同姿態(tài)下的三軸磁通門(mén)傳感器輸出數(shù)據(jù)B1（t）進(jìn)行修正，修正后所測(cè)磁場(chǎng)強(qiáng)度‖B（t）‖較修正前變化情況如圖4 所示。由圖4 可知曲線的震蕩弧度由339.54 nT，降到了29.87 nT。在姿態(tài)角度差不超過(guò)10°的情況下震蕩值小于3 nT，能滿(mǎn)足磁法測(cè)量要求。

圖4 姿態(tài)誤差修正前后對(duì)比圖

（2）在一地磁場(chǎng)較穩(wěn)定的地方以質(zhì)子磁力儀為日變站參考校準(zhǔn)該測(cè)點(diǎn)地磁場(chǎng)，通過(guò)磁通門(mén)傳感器安裝在無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)上前后對(duì)比可測(cè)得飛機(jī)固定磁場(chǎng)的干擾參數(shù)，通過(guò)開(kāi)關(guān)無(wú)人機(jī)電源前后可測(cè)得無(wú)人機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)電路和電臺(tái)的磁場(chǎng)干擾參數(shù)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖5所示。由圖5 可知，無(wú)人機(jī)對(duì)磁場(chǎng)的影響基本為穩(wěn)定值，約為4 nT，飛機(jī)在通電的情況下電路影響也基本為穩(wěn)定值，可以統(tǒng)計(jì)出飛機(jī)加電路的影響為8.2 nT，該干擾為穩(wěn)定干擾，可以簡(jiǎn)單去除。

圖5 靜態(tài)干擾測(cè)量曲線

圖6 為舵機(jī)在1 Hz 頻率擺動(dòng)情況下的干擾曲線，可以看出轉(zhuǎn)向舵位于機(jī)翼部位，離傳感器較遠(yuǎn)，影響在0.5 nT左右，升降舵距離傳感器較近，最大干擾在3 nT左右，方向舵最大干擾在1 nT左右，由于在航線測(cè)量時(shí)飛行一般較平穩(wěn)，舵機(jī)一般不參與工作，因此可以忽略舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的影響，而且舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間短，也可以用濾波的方式去除舵機(jī)干擾。

圖6 舵機(jī)以1 Hz頻率擺動(dòng)干擾測(cè)量曲線

在一地磁場(chǎng)較穩(wěn)定的地方以質(zhì)子磁力儀為日變站參考校準(zhǔn)該測(cè)點(diǎn)地磁場(chǎng)，將無(wú)人機(jī)固定在地面，通過(guò)調(diào)整無(wú)人機(jī)飛行電流的大小可統(tǒng)計(jì)出飛行電流產(chǎn)生的干擾，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7 所示。由圖可以看出飛行電流的影響在6～8 nT，因此可以通過(guò)線性回歸的方式計(jì)算電流和干擾的關(guān)系公式，飛機(jī)飛行的電流一般在16 A左右，并且飛行記錄里面有每秒的電流數(shù)據(jù)。

圖7 飛機(jī)飛行電流干擾測(cè)量曲線

根據(jù)電磁感應(yīng)定律，長(zhǎng)度為l的導(dǎo)體，以速度v在磁感應(yīng)強(qiáng)度為B的勻強(qiáng)磁場(chǎng)中做切割磁感應(yīng)線運(yùn)動(dòng)時(shí)，在B、l、v互相垂直的情況下，導(dǎo)體中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的大小為

圖8 航空磁法△T上延180 m平面等值線異常圖

式（6）中的單位均應(yīng)采用國(guó)際單位制，即V、T、m/s。

磁測(cè)系統(tǒng)中磁傳感器到采集設(shè)備之間導(dǎo)線的垂直分量為0.05 m，飛機(jī)每一秒的速度飛行速度可以通過(guò)GPS 數(shù)據(jù)計(jì)算，與飛行方向垂直的磁感應(yīng)強(qiáng)度可以通過(guò)傳感器的By、Bz分量計(jì)算，采集卡的靈敏度約為：41.666 7 μT/V，因此磁感應(yīng)強(qiáng)度誤差約為Bg=×0.08×v×41.6667×10-6，Bg、By、Bz單位為T(mén)。

4 無(wú)人機(jī)航磁系統(tǒng)處理軟件編制

（1）將存儲(chǔ)卡保存的二進(jìn)制文件解碼，讀出每個(gè)數(shù)據(jù)包里面的時(shí)間、姿態(tài)、位置、電流、磁通門(mén)傳感器三軸的電壓文件；（2）通過(guò)算法將位置文件的經(jīng)緯度按照選擇的坐標(biāo)系投影為直角坐標(biāo)；（3）讀取測(cè)區(qū)邊界文件刪除測(cè)區(qū)外的數(shù)據(jù)點(diǎn)和非航線的數(shù)據(jù)點(diǎn)；（4）將采集到的磁通門(mén)傳感器的3 個(gè)電壓數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)；（5）讀取磁通門(mén)傳感器姿態(tài)校準(zhǔn)參數(shù)，對(duì)3 個(gè)磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)，并計(jì)算總場(chǎng)；（6）解析姿態(tài)文件、坐標(biāo)文件，計(jì)算飛行的真實(shí)航向，計(jì)算出磁場(chǎng)在真實(shí)X、Y、Z軸的值，并計(jì)算出每個(gè)測(cè)點(diǎn)的磁傾角、磁偏角，以便后續(xù)采用變傾角化極處理；（7）讀取飛機(jī)磁場(chǎng)干擾文件，對(duì)采集的磁感應(yīng)強(qiáng)度數(shù)據(jù)進(jìn)行各項(xiàng)補(bǔ)償；（8）讀取質(zhì)子磁力儀采集的日邊數(shù)據(jù)，對(duì)無(wú)人機(jī)磁測(cè)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行日變校正；（9）將處理后的有效數(shù)據(jù)存盤(pán)。

5 系統(tǒng)使用性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證該航測(cè)系統(tǒng)的實(shí)用性，在山東某金礦區(qū)域進(jìn)行了地磁與航磁測(cè)量對(duì)比試驗(yàn)，其中地磁采用100 m×20 m 測(cè)網(wǎng)，航磁采用測(cè)網(wǎng)為100 m 間距，航速為23 m/s，隨地形飛行，對(duì)地高度為180 m。

圖9 地面磁法△T平面等值線異常圖

飛行獲得的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)首先進(jìn)行了磁測(cè)補(bǔ)償以及各種改正等[7-8]。為了對(duì)航磁與地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，將地磁數(shù)據(jù)進(jìn)行了向上延拓180 m，對(duì)比航磁與地磁△T平面等值線異常圖，兩者在位置、范圍、走向、形態(tài)與異常中心等特征基本一致，對(duì)應(yīng)良好，說(shuō)明該無(wú)人機(jī)磁法測(cè)量系統(tǒng)可以用于野外的航空磁法勘探。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)實(shí)際測(cè)量試驗(yàn)，該無(wú)人機(jī)航測(cè)系統(tǒng)在含磁性礦物的礦床勘探中應(yīng)用是有效的，可以在大面積測(cè)量中取代地面磁法測(cè)量和有人機(jī)航空磁法測(cè)量，尤其在植被覆蓋區(qū)和山區(qū)，施工難度要求不高，快速圈定找礦靶區(qū)，降低勘探成本。