固定翼時間域航空電磁勘查系統研發進展

胡 平,李文杰,李軍峰,孟慶敏,王緒本,陳曉東,劉瑩瑩

1)中國地質科學院地球物理地球化學勘查研究所,河北廊坊 065000;2)成都理工大學,四川成都 610059

固定翼時間域航空電磁法(Fixed-wing Airborne Time-domain Electromagnetic Methods,縮寫為FTEM)具有探測深度大、測量精度高的技術特點,是我國急需的快速高效的大深度礦產勘查裝備技術。自20世紀50年代末INPUT系統問世以來,固定翼時間域航空電磁法方法、硬件研發的核心技術一直為美國、加拿大、澳大利亞等少數西方發達國家所掌握。目前,國外典型在用的商用 FTEM 系統有GEOTEM、MEGATEM、TEMPEST、SPECTREM等。這些系統普遍具有發射基頻低(25 Hz或30 Hz)、發射磁矩大(50×104～200×104Am2)、三分量寬帶接收(10～25 kHz)、全波形數字收錄等技術特點和發展趨勢(史密斯等,1997;李文杰等,2007)。FTEM系統被廣泛地應用于地質調查、礦產勘查、水資源調查、農業土壤檢測、環境檢測等領域,加拿大的斯特勒湖(Sturgeon Lake,2000萬噸)中型銅鋅銀礦床就是由剛問世不久INPUT V系統發現的(周鳳桐,1982)。迄今為止,世界范圍內由時域航電系統發現的各類塊狀硫化礦、金礦、金剛石礦等不勝枚舉。

為滿足我國地質普查及礦產勘查的需求,國家高技術研究發展計劃(863計劃)于2007年立項并啟動了固定翼時間域航空電磁勘查系統研發課題。截至2011年年底,經過近4年多的科研攻關,課題組在專用飛機改裝設計、大磁矩發射、三分量寬帶接收、實時全波形數據收錄等核心、關鍵技術領域取得了突破性進展,研制成功了基于國產Y12IV型飛機,具有完全自主知識產權的固定翼時間域航空電磁系統空中樣機。系統樣機成功完成了半航空試驗試飛,穩定性、可靠性、探測能力、性能指標得到了全面驗證,填補了我國在這一領域的技術空白。研究取得的主要進展與成果如下。

1 系統設計

課題的總體任務目標是最終研制實現最大500 m勘探深度的固定翼時間域航空電磁勘查系統,實現大的探測深度是課題首要和核心任務。勘探深度與被探測地質條件、儀器裝置參數、環境背景噪聲等多種因素有關。為簡化問題的復雜性,一般可以用均勻半空間條件下瞬變電磁場的擴散深度dZ來評價時間域電磁系統的勘探深度(Christiansen et al.,2009)。計算公式如下:

式中 σ為均勻半空間的電導率,Vnoise是儀器檢測到的可信任的最小二次場響應(儀器噪聲水平),N為發射線圈匝數,S是發射線圈單匝面積,I為發射電流,M=N·I·S為發射磁矩。

理論公式表明,勘探深度與磁矩的五次根成正比,與儀器噪聲水平的五次根成反比。顯然,增加探測深度的有效方法,要么是增大發射磁矩,要么提高信噪比,即降低儀器最小可檢測噪聲。根據上面的公式計算可知,探測深度增加一倍,需要將發射磁矩提高32倍,或者是將噪聲減小32倍。

增加發射磁矩,同時有效降低系統噪聲,是在設計和實現時域固定翼航電系統時需要始終遵循的基本指導思想。此外,大收發距、低發射基頻、大發射脈寬等,都有利于實現更大的探測深度。

除上述磁矩、信噪比、系統其它主要參數等之外,對系統設計指標影響最大的因素就是飛機平臺的選擇。固定翼飛機平臺是時域航電系統的有機組成部分,飛機的各項性能指標直接影響時域航電系統關鍵性能指標的設計和實現。例如,大型飛機外形尺寸大、供電量大、載重量大,可以實現更大的發射磁矩,因而探測深度也大;大飛機平臺也有利于系統的升級和探測能力的擴展。但是,大飛機的低空飛行性能不好,不利于探測性能的充分發揮;且其改裝設計成本、運行成本高也是輕型飛機的數倍,乃至數十倍。

限于我國航空工業相對落后,備選的飛機平臺Y8四發大型飛機、Y7中型飛機和Y12IV型輕型固定翼飛機中,適合低空作業的僅有 Y12IV型飛機可用,其較低的改裝、運行成本也在課題預算經費可接受范圍內。

基于上述考慮,課題選用了國產Y12IV型輕型固定翼飛機作為載機,并依據Y12IV型飛機提供的改裝條件,參考國外先進 FTEM 系統的技術參數及發展趨勢,設計了系統性能指標并制定了實施方案(李文杰等,2008),參見表1。由表1可見,與國外同類型系統相比較,盡管Y12IV型飛機的載重量、供電量等改裝條件非常有限,實現大的發射磁矩和大探測深度困難重重,但時間域系統的各項設計性能指標與國外類似系統(GEOTEM)的技術水平基本相當。

表1 課題設計指標、實現指標與國外典型時域航電系統的對比Table 1 The design indices and realized indices of the project in comparison with the typical airborne time-domain electromagnetic system abroad

2 專用飛機改裝技術研究

時間域航空電磁系統改裝對固定翼飛機氣動外形影響巨大(如圖1所示),每一項細小的改裝設計都會直接影響飛機的安全及性能,類似的改裝在國內航空界尚無先例。課題組基于國產Y12IV型輕型固定翼飛機,依托哈爾濱飛機制造集團飛機設計研究所、哈飛航修有限公司、中國飛龍通用航空有限公司、南京航空航天大學等研究單位及企業科研力量,開展了大量的時間域航空電磁探測系統改裝后的空氣動力學理論計算,試制了1:8.5時域航電飛機系統的金屬模型和1:2、1:8.5、1:20等不同比例尺接收吊艙模型,進行了 400多小時的模型風洞試驗,論證了Y12IV型飛機改裝時間域航空電磁探測系統的可行性。在解決了飛機安定性、阻力增加、發射線圈共振、接收吊艙拋放收起等氣動難題后,最終完成了改裝方案設計。

在改裝方案及時間域航電系統任務目標需求基礎上,開展了Y12IV型時間域專用飛機的改裝圖紙設計、機體加強件設計加工、前撐桿金屬件設計加工、后支撐尾筒、翼尖掛架、接收吊艙等特殊符合材料件設計加工等工作。發射線圈掛架可根據需要安裝1～6匝發射線圈,研制了專用的緊急情況可自動切斷的接收吊艙電動絞車收放系統,研制了氣動平穩的水滴狀接收吊艙,固定翼飛機各項改裝工作進展穩定。

3 時域航電儀研制

3.1 大磁矩電磁發射技術研究

Y12IV型飛機只能提供約 5.6 kW 供電量、800 kg商載給時間域系統使用。供電量及商載僅分別為國外同類系統的約67%和57%,有限的供電量、商載,使得實現與國外系統相當的大磁矩發射異常困難(參見表1與GEOTEM系統的對比數據)。課題組查閱了大量國內外技術論文、專利等文獻資料,從各種相關領域的大功率應用中汲取有益的技術信息,研發了超級電容間歇充放電、組合波發射等專利技術,攻克了大磁矩發射的技術難題。

通過電子線路仿真分析及計算,研發了組合波發射技術,解決了上升沿、下降沿及波形可控難題,實現了近似方波發射;研發了超級電容器升壓供電技術,解決了大電流發射難題,實現最大 600 A峰值電流;研究了過壓、過流、過熱保護技術,解決了大功率長時間發射可控性、穩定性難題。發射機采用3D實體設計技術,實現了模塊化組裝調試,樣機制造工藝水平得到保證。

研制的準諧振可控沿大磁矩發射樣機,基頻25 Hz脈寬3.8 ms時峰值發射電流達到600 A,峰值磁矩達到508,000 Am2,下降沿1.2 ms;發射基頻有12.5 Hz、25 Hz、75 Hz,可供選擇。

3.2 高靈敏度三分量接收技術研究

高靈敏度寬帶三分量航空電磁感應線圈接收技術在國內是空白。課題組先后研制了數十套外形、線材、繞制方法、物理參數、電參數、靜電屏蔽技術各不相同的試驗性感應線圈傳感器,積累了大量試驗數據和經驗,最終研制成功輕量化幾何對稱三分量正交感應線圈接收傳感器,三分量物理參數及電參數基本一致;解決了電屏蔽技術及最佳阻尼匹配技術,研制的接收分系統帶寬達到0～20 kHz,等效接收面積20000 m2;研制了差動放大低噪聲前置放大器及長線傳輸驅動電路;研發了三軸動穩避振技術,解決了航空條件下接收傳感器避振技術難題,有效降低了接收線圈飛行過程中振動噪聲的對系統測量性能的影響。

3.3 數據收錄系統研制

基于NI PXI總線架構及工業標準的PXI數據采集卡,研制成功了一套具有通用性、擴展性、性能穩定可靠的工業級數據收錄系統。在LabWindows /CVI軟件平臺上,采用多線程技術編程,研發了實時性強、代碼繼承性好、易于升級及擴展功能的數據收錄軟件ATEMDAQ v1.0版。

數據收錄系統的實時并行4通道數據采集分辨率達到24 bit,最大采樣率100 kHz,可全波形記錄X、Y、Z三分量二次場響應信號和發射電流波形,實時數據收錄、存儲速率≥4.0 GByte/Hr。該數據收錄系統的各項性能初步達到與同類系統相當的技術水平。

4 方法及數據處理技術研究

研究了時間域固定翼航空電磁一維和三維數值模擬方法,采用有限差分完成了時間域固定翼航空電磁一維、三維響應規律的正演模擬,開發了時間域固定翼航空電磁一維、三維正演程序。根據模擬的波場快照,分析了時間域固定翼航空電磁場的傳播特點,給出了不同模型參數的響應曲線;分析了時間域固定翼航空電磁一維、三維瞬變響應規律,為系統設計和反演解釋提供理論支持。

圖1 Y12IV型時間域專用飛機改裝效果圖Fig.1 Modific ation effects of Y121V type time-domain special aircraft

研究了時間域航空電磁數據預處理技術,包括濾波去噪處理、時間道抽取、疊加處理等。研究了小波域濾波、錐狀濾波、遞歸濾波、均值濾波、移動平均濾波、Vondrak平滑濾波技術,以及濾除雷電噪聲的組合濾波技術,開發了相應程序。針對時間域航空電磁數據疊加次數少的特點,開發了加權疊加、移動疊加、帶通疊加等特殊的疊加技術,有效提高了信號噪聲水平。研究了時間道抽取技術,開發了算數平均、幾何平均道內疊加處理程序。基于上述研究成果,開發了ATEMDPS v1.0固定翼時間域航空電磁數據預處理程序。

開展了時間域固定翼航空電磁快速成像方法研究,實現了基于擴散深度成像的 CDI方法,完成了一維、二維模型成像算例。研究了Occam反演(毛立峰等,2008)、基于奇異值分解的阻尼最小二乘反演、自適應正則化反演、飛行高度同時校正的反演(毛立峰等,2011)等三種反演方法。開發了1.0版固定翼時間域航空電磁法資料處理與解釋程序。

圖2 時間域固定翼航空電磁勘查系統空中樣機Fig.2 Air prototype of the time-domain fixed-wing airborne electromagnetic system

圖3 發射電流波形Fig.3 Waveform of emission current

5 系統集成及半航空試飛試驗

固定翼時間域航空電磁系統空中樣機研發完成后,開展了地面集成調試和測試,以及發射、接收、數據收錄等分系統在不同溫度環境下(?5～35)℃長時間工作(≥5 h)的穩定性、可靠性試驗。

為檢驗接收系統的工作性能,與Crone PEM地面時間域探頭進行了對比試驗,相同測試條件下等效噪聲水平相當,響應曲線基本一致。

圖4 時間域固定翼航空電磁勘查系統樣機半航空試驗試飛Fig.4 Trial flight for semi-airborne test of time-domain fixed-wing airborne electromagnetic exploration system prototype

成功開展了地面大磁矩發射、空中接收的偶極-偶極形式半航空試飛試驗,接收、數據收錄分系統在航空條件下工作可靠穩定,無儀器故障返航;接收吊艙飛行平穩,氣動設計得到了驗證;共飛行 7架次約12個飛行小時,取得了230 GB寶貴的試驗數據。發射分系統在地面發射500,000 Am2磁矩時,接收分系統在300至600 m高度檢測到了清晰的大地二次場響應信號(參見圖5),300 m高度可探測到鋪設在地表的短路線圈引起的人工異常。

時間域航空電磁探測系統空中樣機的各項性能指標,經半航空驗證滿足設計要求,具備了開展固定翼全狀態空中調試、性能驗證試飛的能力。

6 結論

圖5 實測不同高度大地二次場響應曲線Fig.5 Measured telluric secondary field response curves at different heights

課題在50×104Am2大磁矩發射、接收吊艙氣動外形設計、接收吊艙避振、輕量化低噪寬帶三分量感應式傳感器研制、海量數據全波形實時收錄、飛機改裝等關鍵技術方面取得突破性進展,成功研制了基于國產Y12IV型專用飛機的完全自主知識產權的大勘探深度時間域固定翼航空電磁勘查系統空中樣機,使我國掌握了固定翼時間域航空電磁勘查系統研發的核心技術,填補了我國在該領域的技術空白。課題共申請專利9項、軟件著作權3項、發表論文 8篇,培養和鍛煉了一支產學研科研隊伍,為最終研制成功適合我國國情、實用的大勘探深度固定翼時間域航空電磁勘查系統奠定了堅實的基礎。