基于P-750 固定翼飛機(jī)的自動化航放/航磁測量系統(tǒng)研制

李江坤，武雷超，張偉，盧亞運(yùn)，張光雅

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團(tuán)鈾資源地球物理勘查技術(shù)中心（重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室），河北 石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050002）

航空地球物理探測，簡稱航空物探，是地球物理勘探技術(shù)與航空技術(shù)相結(jié)合的一門高新技術(shù)。具有快速高效、成本較低、覆蓋面廣、信息量大等優(yōu)勢，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，在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的各個領(lǐng)域發(fā)揮了十分重要的作用［1-2］。航空物探測量方法主要包括航放、航磁、航電和航重4 種方法，目前在鈾礦找礦工作中主要以航放和航磁測量為主。我國航放和航磁測量技術(shù)經(jīng)過60 多年的發(fā)展，在儀器設(shè)備、方法技術(shù)和勘查成果方面取得了一系列重大進(jìn)展，特別是航放測量技術(shù)已經(jīng)達(dá)到世界領(lǐng)先水平［1］。

近年來，航空物探儀器朝著自動化［3］、智能化方向發(fā)展。在航空物探生產(chǎn)工作中，為降低測量成本和安全風(fēng)險，國內(nèi)外逐漸推行無人值守的作業(yè)模式。2011 年起，中國國土資源航空物探遙感中心和中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所等單位開展了航空物探測量無人值守作業(yè)模式探索，并開展了生產(chǎn)作業(yè)試驗(yàn)，但這種作業(yè)模式無法對測量數(shù)據(jù)質(zhì)量和儀器工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。為提高航空物探作業(yè)效率，提升自動化作業(yè)水平，研制了自動化航放/航磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以P-750 固定翼飛機(jī)為平臺，集成航放/航磁測量系統(tǒng)，開展了試驗(yàn)應(yīng)用。

1 自動化航放/航磁測量系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

自動化航放/航磁測量系統(tǒng)主要由自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、晶體探測器、磁傳感器、供電單元、機(jī)載監(jiān)控系統(tǒng)和北斗傳輸系統(tǒng)組成（圖1）?；诟咝阅軝C(jī)載工控機(jī)設(shè)計(jì)了自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過網(wǎng)口和串口等接口連接晶體探測器、磁傳感器等外部設(shè)備［4］，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)上電后自動啟動、采集和存儲數(shù)據(jù)。同時基于Kinco MT4523T 人機(jī)交互平臺（簡稱HMI）為硬件平臺，設(shè)計(jì)了機(jī)載監(jiān)控軟件；基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸和地面監(jiān)控系統(tǒng)。通過上述研究工作，實(shí)現(xiàn)了航放/航磁測量工作的自動化。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram

1.1 硬件設(shè)計(jì)與組成

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主研制了自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與晶體探測器、磁傳感器和輔助測量單元組成了自動化航放/航磁測量系統(tǒng)。

1.1.1 自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)由中央處理器、接口電路、數(shù)據(jù)采集電路等部分組成（圖1），具體是以高性能機(jī)載工控機(jī)為平臺進(jìn)行開發(fā)，輸入電壓為VDC28 V，數(shù)據(jù)采集板采用CPCI 總線結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對上述各傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理分析。同時，通過發(fā)送指令，控制上述各傳感器的工作狀態(tài)。例如，通過向晶體探測器發(fā)送高壓和增益調(diào)整指令來調(diào)節(jié)探測器內(nèi)運(yùn)算放大器的高壓和增益參數(shù)來實(shí)時調(diào)整能譜的峰位，保證探測器輸出的能譜曲線在正常峰位上。

設(shè)計(jì)了供電單元提供整個系統(tǒng)的電源需求（圖2）。J3 為電源輸入接口；U1 和U2 為DC/DC 模塊，實(shí)現(xiàn)不同電壓的轉(zhuǎn)換；J1、J2 和J4 為電源輸出接口，為系統(tǒng)組件提供不同標(biāo)準(zhǔn)的電源。

圖2 電源設(shè)計(jì)圖Fig.2 Power supply design drawing

1.1.2 測量系統(tǒng)組成

航放/航磁測量系統(tǒng)由上述自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、RSI 晶體探測器（下測50.4 L NaI（Tl）晶體，上測8.4 L NaI（Tl）晶體）、高靈敏度航空磁力儀（包括磁探頭、前置放大器、磁通門和磁補(bǔ)償器等）、溫濕度計(jì)、氣壓高度計(jì)、雷達(dá)高度計(jì)和GPS 等設(shè)備組成。

探測器是用于測量放射性信號（包括能譜窗數(shù)據(jù)和全譜數(shù)據(jù)）的傳感器，為可擴(kuò)展結(jié)構(gòu)，包括NaI（TI）晶體、光電倍增管（PMT）、信號放大器、脈沖幅度分析器和數(shù)據(jù)緩存器等部件，通過網(wǎng)口連接到自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)卡（RJ45 接口）上。

高靈敏度航空磁力儀用于采集地磁場信號，通過串口（RS-232 接口）連接到自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的串口板卡上。航空GPS 用于采集系統(tǒng)所處位置的高度、經(jīng)緯度和時間等數(shù)據(jù)通過串口（RS-232 接口）連接到自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的串口板卡上。

1.2 軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)

為實(shí)現(xiàn)自動化測量并保證測量質(zhì)量，開發(fā)了自動化測量軟件、機(jī)載監(jiān)控軟件和地面監(jiān)控軟件。

1.2.1 自動化測量軟件

設(shè)計(jì)了自動化數(shù)據(jù)測量軟件，實(shí)現(xiàn)了對能譜數(shù)據(jù)、磁數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)等多種參數(shù)的自動采集和記錄。設(shè)計(jì)了人機(jī)交互友好界面（圖3），可實(shí)時顯示圖譜信息，主要包括TC（總道）、K（鉀道）、U（鈾道）、Th（釷道）、RALT（雷達(dá)高度）、Uup（上測鈾道）、CmMag1（補(bǔ)償后的磁總場）、TCup（上測總道）等參數(shù)。

圖3 自動化數(shù)據(jù)采集軟件界面Fig.3 Interface of automatic data acquisition software

1.2.2 機(jī)載監(jiān)控軟件

在自動化測量模式下，設(shè)計(jì)了機(jī)載無人值守監(jiān)控平臺，可由領(lǐng)航員觀察儀器工作狀態(tài)。采用組態(tài)編輯軟件編程，按照Modbus協(xié)議設(shè)計(jì)了串口數(shù)據(jù)通信軟件，完成了監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)開發(fā)（圖4），實(shí)現(xiàn)了對航測儀的工作狀態(tài)的實(shí)時監(jiān)控。

圖4 機(jī)載監(jiān)控軟件工作流程圖Fig.4 Work flow chart of airborne monitoring software

1.2.3 地面監(jiān)控軟件

為實(shí)時監(jiān)控航測儀空中測量數(shù)據(jù)質(zhì)量和飛機(jī)實(shí)時位置，基于北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)并采用Python 語言設(shè)計(jì)了數(shù)據(jù)傳輸和地面監(jiān)控軟件，實(shí)現(xiàn)了對關(guān)鍵測量數(shù)據(jù)和位置信息的實(shí)時監(jiān)控。位置數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖5 所示。

1.3 飛行平臺選型及改裝設(shè)計(jì)

為提高工作效率，優(yōu)選了飛行平臺并進(jìn)行了飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)。

1.3.1 飛行平臺選型

目前開展航空物探測量工作主要以固定翼飛機(jī)、直升機(jī)為主要飛行平臺［5-6］，近年來無人機(jī)也成為常用的飛行平臺。核工業(yè)航測遙感中心航空物探測量歷史上先后使用過8種型號的固定翼飛機(jī)及5 種型號的直升機(jī)開展航空物探工作，例如運(yùn)十二（Y-12）、雙水獺、獎 狀、Cessna-208B 和 AS350B3等機(jī)型（表1）。

表1 不同型號飛機(jī)主要性能參數(shù)Table 1 Main performance specification of different types of aircraft

新西蘭生產(chǎn)的P-750 固定翼飛機(jī)在續(xù)航時間和起降距離方面擁有較強(qiáng)的優(yōu)勢，在搭載400 kg 的航空物探（放/磁）綜合測量系統(tǒng)時，作業(yè)時間可達(dá)近8 小時。

1.3.2 飛機(jī)改裝

為了充分發(fā)揮航測儀器的性能并保證測量精度，用于航空物探測量的飛機(jī)必須進(jìn)行必要的改裝。改裝工作除了保證航測儀器安裝可靠、牢固之外，還要保證飛機(jī)對航測儀器的放射性干擾、磁干擾以及電子干擾降低到允許的水平。為此，檢查了P-750 飛機(jī)的放射性本底，根據(jù)P-750 飛機(jī)的載荷和機(jī)艙空間設(shè)計(jì)了系統(tǒng)安裝方案，完成了改裝設(shè)計(jì)。

1.3.2.1 飛機(jī)放射性本底檢查

使用FD-3013 伽馬總量輻射儀和ARD 地面伽馬能譜儀（單位cps，即計(jì)數(shù)/秒）對飛機(jī)的放射性本底進(jìn)行了測量。

測量結(jié)果表明，機(jī)艙內(nèi)未發(fā)現(xiàn)高放射性的部位，機(jī)艙內(nèi)比機(jī)艙外地面停機(jī)坪放射性本底低16.3%～28.7%，滿足航放測量規(guī)范［6］中機(jī)艙內(nèi)比機(jī)艙外低 10% 以上的要求（表2）。

表2 飛機(jī)本底測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistics of aircraft background measurement results

1.3.2.2 飛機(jī)改裝和系統(tǒng)集成

基于P-750 飛機(jī)，設(shè)計(jì)了航放/航磁測量系統(tǒng)的改裝方案，主要包括：溫濕度計(jì)、氣壓高度計(jì)及雷達(dá)高度計(jì)安裝、晶體箱安裝、主機(jī)箱（包括電源分配器、自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）安裝、GPS 安裝、磁探頭、磁通門及放大器安裝以及供電電源設(shè)計(jì)。各設(shè)備在飛機(jī)上的安裝位置如圖6 所示。

圖6 測量系統(tǒng)各設(shè)備安裝位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of installation position of each equipment of the measurement system

如圖6 所示，晶體箱和主機(jī)安裝于機(jī)艙的前端及中部，使用6 根與艙體同寬的槽鋁固定3個晶體箱和主機(jī)。

溫濕度計(jì)和雷達(dá)高度計(jì)位于機(jī)身下方，雷達(dá)高度計(jì)發(fā)射天線和接收天線在P-750 機(jī)腹下方橫向安裝，間距80 cm，溫濕度計(jì)在兩個天線之間，GPS 天線安裝于飛機(jī)頂部無遮擋位置。

為減小飛機(jī)自身鐵磁性物質(zhì)對磁探頭的影響，磁探頭在保證安全的前提下盡量遠(yuǎn)離機(jī)身。設(shè)計(jì)了使用無磁復(fù)合材料長度為7 m 的尾椎，磁探頭及前置放大器安裝在尾椎內(nèi)部的支架上，磁通門設(shè)計(jì)安裝在機(jī)艙后半部（圖7）。

圖7 航磁測量系統(tǒng)安裝圖Fig.7 The installation drawing of aeromagnetic measurement system

電源分配器從飛機(jī)電源接入28 V 電源，經(jīng)DC-DC 變換后為測量系統(tǒng)提供5～28 V 電源。由于飛機(jī)蒙皮是電源的負(fù)線，飛機(jī)的電氣系統(tǒng)具有較大的噪聲。因此，必須進(jìn)行下列改裝，以使電噪聲降到可以接受的水平。

1）從電瓶的負(fù)端取下接機(jī)身的地線，在電瓶0.5 m 范圍內(nèi)接一塊共用接地的銅質(zhì)負(fù)極板，尺寸最小為100 mm×200 mm×5 mm，并牢固地與機(jī)身連接，從電瓶負(fù)端接到這塊板上的導(dǎo)線直徑至少應(yīng)為15 mm。

2）儀器需用的飛機(jī)電源線，要用雙線從總匯電條處直接引入機(jī)艙內(nèi)的接線盒上。正極線應(yīng)通過一個20 A 的保險開關(guān)接到飛機(jī)的總匯電條上，負(fù)線直接從銅板上引入。所用導(dǎo)線應(yīng)能長時間承受20 A 的電流。

2 系統(tǒng)測試及校準(zhǔn)工作

對系統(tǒng)開展了測試和校準(zhǔn)工作，包括性能指標(biāo)測試、航放系統(tǒng)校準(zhǔn)和航磁補(bǔ)償飛行。

2.1 航放系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

對航放系統(tǒng)的穩(wěn)定性開展了測試，測試結(jié)果如表3 所示。

表3 航放系統(tǒng)穩(wěn)定性測試統(tǒng)計(jì)Table 3 Statistics on stability test of airborne radioactive system

穩(wěn)定性測試結(jié)果表明，各窗計(jì)數(shù)變化范圍為-0.90%～0.44%，滿足變化不超過±5%的規(guī)范要求［7］。

2.2 航空磁力儀靜態(tài)噪聲測試

對航空磁力儀靜態(tài)噪聲水平進(jìn)行了測試，按照采樣間隔2 次/s 抽點(diǎn)計(jì)算Sn值：

式中：Sn—靜態(tài)噪聲；n—參加計(jì)算的觀測點(diǎn) 數(shù)，個；i—數(shù)據(jù)序列號，i=1，2，…，n；Bˉ、Bi、Ti和Sn的單位為nT［8］。測試數(shù)據(jù)見圖8 所示。

圖8 靜態(tài)噪聲測試結(jié)果Fig.8 The test data of static noise

經(jīng)計(jì)算，航空磁力儀靜態(tài)噪聲為0.002 74 nT，滿足靜態(tài)噪聲小于0.01 nT 的航磁一級資料評價標(biāo)準(zhǔn)［8］。

2.3 GPS 定位精度測試

在空曠地帶對機(jī)載GPS 導(dǎo)航定位系統(tǒng)進(jìn)行定位精度測試，通過公式（4）計(jì)算GPS 靜態(tài)定位精度：

式中：Xi—第i次GPS 系統(tǒng)的坐標(biāo)觀測值，m；為Xi的算術(shù)平均值，m；N—測量次數(shù)，次。測試結(jié)果見表4 所示，GPS 靜態(tài)徑向定位精度為0.017 m，滿足航放航磁測量定位的精度要求。

表4 航空GPS 靜態(tài)定位精度測量結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 4 Aviation GPS static positioning accuracy measurement results

2.4 航放系統(tǒng)校準(zhǔn)

在航空放射性測量模型標(biāo)準(zhǔn)裝置和黃壁莊動態(tài)測試帶開展了航空伽馬能譜測量系統(tǒng)校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果見表5。

表5 航空伽馬能譜測量系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果（P-750）Table 5 Calibration results of airborne gamma spectrum measurement system(P-750)

各項(xiàng)校準(zhǔn)結(jié)果滿足航空γ 能譜儀檢定規(guī)程要求［9］。

2.5 航磁補(bǔ)償飛行

為消除飛機(jī)自身鐵磁性物質(zhì)干擾及飛機(jī)機(jī)動動作造成的磁干擾，設(shè)計(jì)了航磁補(bǔ)償飛行，以消除上述影響。飛機(jī)進(jìn)行磁補(bǔ)償?shù)穆肪€如圖9 所示。

圖9 磁補(bǔ)償飛行示意圖Fig.9 Schematic diagram of magnetic compensation flight

磁補(bǔ)償結(jié)果曲線如圖10 所示，補(bǔ)償后磁場曲線平滑，基本消除了飛機(jī)干擾場及各種飛行姿態(tài)對測量的影響。

圖10 磁補(bǔ)償前后結(jié)果對比圖Fig.10 Comparison of results before and after compensation

磁補(bǔ)償結(jié)果見表6，磁補(bǔ)償前數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.317 14 nT，磁補(bǔ)償后數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.019 61 nT，優(yōu)于0.08 nT 的航磁測量規(guī)范要求［8］。

表6 航空磁力儀磁補(bǔ)償結(jié)果統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistics of magnetic compensation results

3 應(yīng)用

2021 年使用P-750 固定翼飛機(jī)搭載自動化航放/航磁測量系統(tǒng)在東北某工作區(qū)開展了生產(chǎn)工作，查明了工作區(qū)航空放射性場和磁場的分布特征。以圖11 為例，HFU-008 等3 個鈾異常構(gòu)成航放異常集中區(qū)，由化極磁場可知，該區(qū)域磁性基底表現(xiàn)為局部凸起特征，結(jié)合東部總體抬升的構(gòu)造背景來看，該區(qū)域磁性基底所反映的構(gòu)造形態(tài)與蓋層構(gòu)造形態(tài)具有繼承性關(guān)系。而HFU-008 異常大致處于凸起中部，

圖11 工作區(qū)（局部）航放鈾含量（a）和航磁化極等值線圖（b）Fig.11 Airborne uranium content（a）and aeromagnetic field reduced to pole measurement results（b）in the test area

HFU-001、002 大致處于由凸起中部向南傾的構(gòu)造緩坡部位。對3 個異常開展地面伽馬能譜、土壤氡等綜合查證認(rèn)為3 個異常成因相似，即在地表徑流匯聚或潛水作用下，來自于周邊嫩江組沉積層中的鈾受泥質(zhì)沉積物強(qiáng)吸附作用導(dǎo)致局部富集引起［10］。

同時，對所有飛行架次的能譜峰漂、晶體分辨率和航磁動態(tài)噪聲等技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)：能譜峰漂（208Tl）在-0.41～-0.94 道之間，晶體分辨率在8.86%～9.56%之間，航磁動態(tài)噪聲水平一、二級資料占98.68%以上［10］。期間共飛行57 架次，完成測線50 457 km，單架次平均飛行885.2 km，作業(yè)效率較以往有明顯提高。

4 結(jié)論

1）基于P-750 飛機(jī)的自動化航放/航磁測量系統(tǒng)由自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、晶體探測器、磁傳感器輔助測量系統(tǒng)、機(jī)載監(jiān)控裝置及地面實(shí)時監(jiān)控系統(tǒng)組成，實(shí)現(xiàn)了航空物探作業(yè)無人值守自動化測量。

2）實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性、磁靜態(tài)噪聲、定位精度、航放標(biāo)定和航磁補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)指標(biāo)滿足現(xiàn)行航放和航磁測量規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用于生產(chǎn)作業(yè)。

3）應(yīng)用示范測量結(jié)果表明，應(yīng)用該自動化測量系統(tǒng)獲取了高質(zhì)量航放/航磁測量數(shù)據(jù)，查明了工作區(qū)航空放射性場和磁場的分布特征，且單日最高完成測線飛行2 290 km，單架次最高完成測線飛行1 318 km，單架次續(xù)航最長6.77 小時，工作效率較以往有明顯提高。