淺談航空磁測中飛機(jī)干擾磁場的補(bǔ)償問題和處理

劉俊伯　陳偉　張國超

摘要：航空磁測技術(shù)不僅在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，隨著技術(shù)的發(fā)展和民用領(lǐng)域需求的增加，它在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)普查等民用領(lǐng)域的作用也越來越大。但是在航空磁測應(yīng)用中，飛機(jī)本身的磁場和飛機(jī)飛行中產(chǎn)生的感應(yīng)磁場和渦流磁場會對磁探儀產(chǎn)生干擾，造成測量誤差度。所以，如何實(shí)現(xiàn)飛機(jī)磁干擾補(bǔ)償，提高航測精度是當(dāng)下研究的重點(diǎn)。本文對航空磁測中飛機(jī)干擾磁場的補(bǔ)償問題和處理進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：航空磁測；飛機(jī)干擾磁場；補(bǔ)償

一、航空磁測中飛機(jī)干擾磁場補(bǔ)償

航空物探是將飛行器用作載體，利用多種測繪儀器裝備在飛行過程中實(shí)現(xiàn)地球物理場探測的技術(shù)，這一技術(shù)不僅效率高、成本低，而且探測范圍廣、深度深，非常適用于海陸聯(lián)測。航空磁法就是航空物探的一種，且應(yīng)用較廣。當(dāng)下使用較多的航空磁測用設(shè)備分為兩類，一種是對總磁場模變化的梯度進(jìn)行測量，一種是對總磁場模數(shù)的變化△T進(jìn)行測量。核子旋進(jìn)磁力儀和光泵磁力儀是當(dāng)前使用較多的測總磁場模數(shù)變化的儀器，磁通門磁力儀也有用到。航空梯度儀則是測總磁場模數(shù)變化梯度多會用到的儀器。航空梯度儀利用距離固定的兩個磁力儀探頭，對地磁場記錄其差值（即磁力梯度，可測垂直梯度或水平梯度）進(jìn)行同時段測量，它的靈敏度很高，大致在3×10-4～5×10-4納特/米。

航空磁測工作中，因?yàn)轱w機(jī)飛行方向和運(yùn)動狀態(tài)的不同，由于磁性元件造成的磁場對磁測儀器靈敏度的干擾是不一樣的。要想減少這種干擾，避免測量誤差的產(chǎn)生，就需要采取措施，進(jìn)行為干擾補(bǔ)償，這一措施就是飛機(jī)磁干擾場補(bǔ)償。一般情況下采取的措施如下：飛機(jī)要作八方位的米字形飛行，并且進(jìn)行俯沖、爬升和左右傾斜，通過這一試驗(yàn)過程來獲取飛機(jī)磁干擾的影響值。當(dāng)下使用的最多的方法是將補(bǔ)償線圈置于探頭處x、y、z三個坐標(biāo)方位，從而生出補(bǔ)償磁場，同時可以將薄膜合金片置于探頭外殼貼上，通過它的感應(yīng)磁場實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償飛機(jī)的感應(yīng)干擾磁場，要特別注意薄膜合金片的大小和放置方位。

二、航空磁測中飛機(jī)干擾磁場的一般補(bǔ)償處理

航空磁測中飛機(jī)干擾磁場的主要受渦流場、感應(yīng)場和恒定場的影響，除此之外，還包括諸如探頭內(nèi)部元器件的剩磁影響和電流感應(yīng)磁場的影響。一般來說，解決上述磁性干擾的補(bǔ)償方法如下。

（一）被動補(bǔ)償

恒定場補(bǔ)償多選擇固定磁鐵或三軸線圈方式進(jìn)行補(bǔ)償，感應(yīng)場則常選擇坡膜合金進(jìn)行補(bǔ)償，渦流場一般情況下選擇導(dǎo)電板，實(shí)際應(yīng)用中卻很少見到。

（二）CAE

此種方式是一種復(fù)雜的計算方法，正常情況下不會用到。

（三）計算機(jī)補(bǔ)償

RMS公司的AADC設(shè)備利用計算機(jī)修正的方式，通過對干擾大小實(shí)時計算，并采取動態(tài)修正的方法，實(shí)現(xiàn)了補(bǔ)償，是軟補(bǔ)償技術(shù)的一種。這種補(bǔ)償方式的整個過程都采用了數(shù)字信號處理技術(shù)，數(shù)據(jù)的采集、轉(zhuǎn)換、濾波、輸出和補(bǔ)償全部實(shí)現(xiàn)了動態(tài)處理，此種補(bǔ)償方式比硬補(bǔ)償更優(yōu)越，主要體現(xiàn)在：首先補(bǔ)償?shù)姆椒ㄅc操作都十分簡單，并且補(bǔ)償設(shè)備輕便，安裝簡潔。其次效率和精度都很高，補(bǔ)償工作在6～8分就能完成，并且在補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)后立即就能收到補(bǔ)償評價。再次，使用的是純理論的數(shù)學(xué)解法，補(bǔ)償最高可實(shí)現(xiàn)30次，能夠接收1～4個高靈敏度磁力儀的輸入和處理，對于高靈敏度磁力儀都可以兼容，例如質(zhì)子磁力儀、銫光泵磁力儀、氦光泵磁力儀以及鉀光泵磁力儀；能夠?qū)崿F(xiàn)對每個探頭的總場以及梯度的補(bǔ)償，并且在補(bǔ)償過程中可以不必開展日變改正和位置改正。最后，數(shù)字化和自動化程度高。不僅用不到補(bǔ)償線圈，而且能夠?qū)崿F(xiàn)未補(bǔ)償、補(bǔ)償和飛機(jī)姿態(tài)數(shù)據(jù)的收集、處理和存儲。

（四）事后處理補(bǔ)償

利用PRJ/GEOMETRICS公司軟件進(jìn)行補(bǔ)償，此種補(bǔ)償方式和RMS公司AADC修正原理類此，不同時的是它不是實(shí)時的，而是在事后進(jìn)行的補(bǔ)償。此種方式的優(yōu)勢是非常靈變，能夠同時應(yīng)用于多架飛機(jī)，成本較低，機(jī)載設(shè)備重量輕，缺點(diǎn)是實(shí)時性不強(qiáng)。

三、在地面選擇一個磁場平穩(wěn)，沒有干擾的區(qū)域

傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式在開頭我們也講到了，就是選擇一個理想的區(qū)域，該區(qū)域的磁場應(yīng)當(dāng)平穩(wěn)，且沒有干擾，在這個區(qū)域里找出一個醒目點(diǎn)作為飛機(jī)的參考，并以此為中心，朝0度、45度、90度、135度180度、225度、270度、315度水平八個方位進(jìn)行飛行，最終回到地面，然后以飛過的8個方位參考點(diǎn)上方時所測出的不同的數(shù)值為依據(jù)進(jìn)行分析，將薄膜合金片置于探頭外殼貼上，通過它的感應(yīng)磁場實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償飛機(jī)的感應(yīng)干擾磁場，要特別注意薄膜合金片的大小和放置方位。為了獲取準(zhǔn)確的數(shù)值，要進(jìn)行多次飛行，但是即使進(jìn)行再多次的飛行，由于其本身的缺陷，補(bǔ)償?shù)木热匀徊桓摺６涮琢俗詣与娮友a(bǔ)償儀的航測工作不僅效率高，而且精度高，已經(jīng)取代的傳統(tǒng)的補(bǔ)償方式，但是在實(shí)際航測過程中，也存在一些問題，影響了航測精度。造成這些問題的因素是多方面的，一是探頭安裝的位置是無法確保和飛機(jī)的xyz三軸對應(yīng)平行，飛行方位和定點(diǎn)不準(zhǔn)確，另一個原因是因?yàn)轱w機(jī)的磁干擾在測量探頭的空間區(qū)域形成的是一個非均勻的梯度磁場，且這個干擾場越大磁場就越不均勻，而自動電子補(bǔ)償儀繞著磁測探頭外罩的xyz三組線圈通電后產(chǎn)生的補(bǔ)償磁場在探頭處是相對均勻的，用均勻的磁場去補(bǔ)償不均勻的干擾磁場，理論上是很難補(bǔ)到理想要求的，如果探頭安裝的位置或飛行方位有偏差，會出現(xiàn)八個方位之間的磁場相互干擾，且干擾磁場越大，相互影響也越大，還有一個問題就是地球的磁場在一晝夜中并非是穩(wěn)定不變的，簡稱“磁場日變”，故航空磁測過程中要專門安排一臺儀器在地面固定位置觀察磁場日變，用來最后校正空中所測的數(shù)據(jù)。如果空中補(bǔ)償飛行的時間過長，那么由于日變的影響也會造成補(bǔ)償數(shù)據(jù)的不準(zhǔn)確。所以，航空磁測技術(shù)操作規(guī)范對飛機(jī)本身的干擾有一定的要求，飛行機(jī)組人員和儀器操作員上機(jī)之前連鑰匙鏈都不準(zhǔn)隨便帶，盡可能的減小飛機(jī)的磁干擾，因?yàn)榇鸥蓴_越小飛機(jī)在不同方位和動作時相互影響也就越小，補(bǔ)償就越好補(bǔ)，補(bǔ)償?shù)男Ч簿驮胶谩?/p>

四、地磁場水平梯度干擾處理

由于地磁場存在梯度變化，空間位置的變化將引起地磁場測量結(jié)果的起伏，從而影響到飛機(jī)磁場的補(bǔ)償效果。航空磁測過程中，當(dāng)飛機(jī)沿直航線進(jìn)行小幅度機(jī)動飛行時，地磁場水平梯度會引起飛機(jī)磁場和方向余弦變化，導(dǎo)致飛機(jī)磁場求解結(jié)果產(chǎn)生一定偏差，從而降低飛機(jī)磁干擾補(bǔ)償精度。其中，在相同飛行條件下，地磁場緯度水平梯度相對地磁場經(jīng)度水平梯度對飛機(jī)磁干擾補(bǔ)償效果影響更大。因此，在進(jìn)行航空磁測時，應(yīng)考慮地磁場水平梯度特別是地磁場緯度水平梯度對飛機(jī)磁場補(bǔ)償精度的影響，從而對飛機(jī)磁場模型進(jìn)行修正，以提高飛機(jī)磁干擾補(bǔ)償率。目前我國已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了航磁梯度實(shí)時數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)。在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了航磁梯度數(shù)據(jù)的實(shí)時數(shù)字式補(bǔ)償處理。建立了飛機(jī)梯度干擾場的數(shù)學(xué)模型，提出了飛機(jī)梯度干擾場的補(bǔ)償方法，實(shí)現(xiàn)了有效的航磁梯度測量補(bǔ)償，同時磁梯度儀有效地消除了各道磁場間的頻率牽引現(xiàn)象，大大減少了飛機(jī)飛行中的干擾。

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