飛艇式航空磁測系統在不同地理條件下的應用

王　波， 趙國鳳， 羅　丁， 季　巖， 馬柳州， 梁　森

(江蘇省地質勘查技術院，江蘇南京210049)

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飛艇式航空磁測系統在不同地理條件下的應用

王波， 趙國鳳， 羅丁， 季巖， 馬柳州， 梁森

(江蘇省地質勘查技術院，江蘇南京210049)

摘要：飛艇式航空磁測系統由無人駕駛飛艇作為飛行平臺，搭載高精度航空磁測系統構成，實現無人駕駛、自主導航沿設計測線飛行，進而完成測區內航磁測量工作。此系統研制成功后,分別在不同地形條件、不同緯度區域進行了快速、安全、穩定的飛行測量。實踐證明，飛艇式航空磁測系統在高原、中高山、丘陵、平原、沼澤覆蓋區內應用效果良好。

關鍵詞：飛艇；航空磁測；無人駕駛；不同地理條件

0引言

航空物探作為一種高效、快速、經濟的地球物理勘探方法，在區域地質調查、油氣和礦產普查等基礎地質工作中一直發揮著重要作用，而其中航空磁測方法應用最為廣泛。目前，無人機具有安全性好、適應性強、經濟高效等優勢，作為一種新的作業手段，發展無人機航空物探技術是一個重要的發展方向(張洪瑞等，2007；李軍峰等，2014)。飛艇式航空磁測系統采用自行研制與引進相結合的方式完成了系統集成，并實現無人駕駛航磁測量。

1系統特點

飛艇式航空磁測系統(圖1)采用無人駕駛飛艇作為飛行載體平臺，搭載了氦光泵高精度航空磁測儀器。飛艇屬于輕于空氣的飛行器，靠空氣浮力升空(甘曉華等，2005)，艇囊內部充滿氦氣，具有很高的安全性。

系統采用的無人飛艇有效載荷為13kg，續航時間為2～4h，巡航速度為50km/h，通過配置的動力裝置實現飛行和操控，可沿設定好的航線自主飛行。系統配備的RS-HGB-10型氦光泵航磁系統可實時采集地磁場總場數據、磁通門磁力儀的磁場三分量數據、GPS的飛行實時位置數據等，實時對飛行平臺產生的磁干擾進行補償，并存儲采集到的所有數據。同時還有激光測高儀等輔助設備，采集飛行離地高度等其他信息。

飛艇式航空磁測系統既可應用于區域性磁測工作，又可應用在礦區及其外圍以及重點成礦靶區的大比例尺磁測工作。與地面磁測相比，飛艇航磁可在地貌較為復雜的地區開展，如植被覆蓋率較高的丘陵、沼澤、荒漠等。在這些區域內開展地面人工作業較為困難，而飛艇航磁的飛行速度相對地面采集速度較快，采樣密度高，大大提高了工作效率。在一些自然條件比較惡劣的區域，不但可以降低工作人員的安全風險，還能節省大量勞動力。同時，相對于直升機或固定翼等飛行平臺的航磁工作方法，飛艇的機械部件少，易于維護和維修，成本低；飛艇式航空磁測系統在空中可沿著設定的航線自主飛行，在氣候條件允許的情況下，白天、黑夜均可開展測量工作，具有全天候工作特點；起飛降落要求較低，無需飛機場或跑道，一般起降坪選擇在工作區域內或附近半個足球場大小的平坦區域即可滿足條件。因此，飛艇航磁因其獨特的優勢，在某些條件下可替代地面磁測進行快速勘查，完成小范圍內的大比例尺工作。

圖1　飛艇式航空磁測系統① 艇身主體； ② 吊艙(內置飛控系統與動力系統)； ③ 航磁儀主機； ④ 三分量探頭； ⑤ 航磁儀主探頭Fig.1　Blimp aeromagnetic system

無人飛艇作為飛行載體，具有安全系數高、穩定性好的特點，而且其成本低、易組裝，可快速投入使用，具有很大的發展空間和應用前景。目前，在此平臺上亦可搭載多種輕型航空探測儀，如攝影、測量設備、電磁測量系統等，實現綜合航空測量和地質調查需求(曹立等，2005；張永軍，2009；嵇艷鞠等，2013；劉明軍等，2013)。

2應用實例

2.1低緯度環境丘陵植被覆蓋區

項目一：測區位于赤道附近的西非地區，區內地形以丘陵為主，相對高差<200m，地形變化較為平緩，植被茂密，覆蓋率達95%。路況很差，只稀疏分布一些簡易道路，交通不便。測區屬熱帶季風氣候，高溫多雨， 5—10月為雨季，11月至次年4月為旱季，年平均氣溫約26 ℃。

測區地處赤道附近的低緯度地區，處于地球磁場的水平磁化或以水平磁化為主的條件下，在數據采集時采用雙光系氦光泵探頭水平安裝進行測量，采用近平飛方式。研究區主要地質構造方向為北西西向，因此航磁主測線方向設定為北北東向，飛行方向角為28°～208°，測線間距為500m。

由于研究區位于低緯度地區，磁異常特征表現以負磁異常為主，伴生正磁異常。通過本次1∶5萬測量獲得的航磁異常(局部)等值線見圖2，圖中所示主體異?？傮w表現為近東西向的負異常帶，單個異常長軸軸向為北東向，其北側伴生北東向轉東西向的正異常帶，推測引起異常的磁源大致呈近東西向雁行排列，呈群集特征。在位場數據處理過程中采用了化向磁赤道方法進行處理(李水平，2009；趙百民等，2009；柳建新等，2014)。

圖2　低緯度測區的航磁ΔT等值線平面圖(項目一)Fig.2　Contour map showing aeromagnetic anomaly(ΔT) in study area of low latitude (Project No.1)

研究區地層及巖性較為簡單，主要為無磁的殘坡積含碎石黏土、腐殖質層、洪沖積砂等覆蓋，基底為以石英片麻巖和條帶狀磁鐵石英巖為主的變質巖，其中石英片麻巖與條帶狀磁鐵石英巖互層產出。同時，異常所在區域的地面可見鐵帽風化殼碎石和以滾石為主的磁鐵石英片麻巖礦石。結合地質資料推測，異常對應的磁性體可能為規模較大、埋藏淺的磁鐵礦體所引起，因此在區內尋找沉積變質型鐵礦具有較好的找礦前景。

2.2高緯度沼澤覆蓋區

項目二：測區位于北緯50°左右的我國東北某礦區西北側。區內氣候屬寒溫帶大陸季風氣候，雨季多集中在6—9月。10月至次年4月為結凍期，最大凍土深度達3.0m。測區地處小興安嶺北端之低山區，海拔高度為310～600m，區內嫩江貫穿南北，沿江流域多為沼澤濕地，覆蓋嚴重，基巖露頭少，地面工作開展較困難。

測區位于高緯度地區，處于地球磁場以近垂直磁化為主的斜磁化條件下，在數據采集時采用單光系氦光泵探頭垂直安裝進行測量，大致沿地形起伏飛行。區內主要地質構造方向為北西向，因此航磁主測線方向設定為北東向，飛行方向角為37°～217°，測線間距為100m。

1∶1萬測量獲得的航磁異常等值線見圖3，航磁異常整體表現為北西走向，南高北低，多數局部單個異常形態呈橢圓狀。與區內已有的1∶5萬資料對比發現，所示異常形態基本一致，但在部分地區細節更為清晰(如圖3中紅圈標示)。結合地質資料可知，此處對應地層主要有晚三疊世—早侏羅世花崗閃長巖、下白堊統的龍江組、光華組等，因為龍江組、光華組地層無磁性或弱磁性，推測區內出現的大面積正異常由巖漿巖引起。

圖3　高緯度測區的航磁ΔT等值線平面圖(項目二)Fig.3　Contour map showing aeromagnetic anomaly (ΔT ) in study area of high latitude (Project No.2)(a) aeromagnetic results on a scale of 1∶50 000； (b) aeromagnetic results on a scale of 1∶10 000

2.3高海拔荒漠地區

項目三：測區地處柴達木盆地南緣，區內山勢陡峻，溝谷深切，植被稀疏，人跡罕至，是典型的高原荒漠。測區屬大陸性干旱氣候，10月至次年4月為冰凍期，8月最高氣溫為21.2 ℃，晝夜溫差可達29 ℃。1—5月多西北風，6—9月多東北風，最佳工作時間段為6—8月。測區內總體地勢西南高、北東低，海拔高度均在3 300m以上，最高海拔高度為4 700m，高差變化較大，高差大于200m的區域占測區3/4或以上。區內主要地質構造方向為北東向，因此航磁主測線方向設定為北西向，飛行方向角為160°～340°，測線間距為100m。由于地形切割頻繁，采用近平飛方式。

測區惡劣的自然條件決定了在區內開展工作難度很大，可進行野外工作的時間短，由于高原地區空氣稀薄，飛艇在空氣中的浮力較低。為了使飛艇式航空磁測系統可以在高原地區進行航磁測量工作，對飛艇進行了相應改進，增加艇囊的長度，擴大其儲氣量，從而增加飛艇的載重能力，同時采用更大功率的發動機和大尺寸槳葉提升飛艇的飛行動力。

將本次獲得的成果與以往1∶1萬地面高精度磁法測量成果進行對比(圖4)。異常形態與地磁成果基本相似，異常均被分成南北2個子異常，說明該區航磁區分異常能力降低不大，更不會遺漏磁異常。結合地質資料可知，異常附近見有矽卡巖，推斷該異常與深部中堿性巖體及矽卡巖有關，深部具有尋找多金屬礦的潛力。

2.4結果與討論

目前，飛艇式航空磁測系統已在不同地形條件、不同磁場區域、不同氣候環境下進行了快速、安全、穩定的飛行測量。由表1可知，飛艇式航空磁測系統在這3個項目中性能穩定，其中自駕導航精度較好，測網疏密度均在10m誤差范圍內，可滿足大比例尺的測量需求；平均離地飛行高度與地形起伏關系較大，動態噪聲水平與航磁測量總精度均滿足相應的設計與規范要求。

圖4　高海拔測區1∶1萬航磁成果與地磁成果對比圖(項目三)Fig.4　Comparison of aeromagnetic results and geomagnetic results on a scale of 1∶10 000 in study area of high altitude(Project No.3)(a) geomagnetic results on a scale of 1∶10 000; (b) aeromagnetic results on a scale of 1∶10 000

項目一 項目二 項目三地理緯度北緯7°～10°北緯48°～52°北緯34°～38°地形地貌情況低緯丘陵、植被茂密丘陵山區,森林、沼澤覆蓋高原、荒漠山區氣候環境熱帶季風氣候北溫帶大陸性季風氣候大陸性干旱氣候地磁條件以水平磁化為主以垂直磁化為主以垂直磁化為主的斜磁化測量比例尺1∶5萬1∶1萬1∶1萬航磁儀靜態試驗/nT±0.003±0.002±0.003測網疏密度/m500±9.1100±8.9100±5.7平均離地飛行高度/m177119364動態噪聲水平/%(≤0.14nT)94.5093.5890.02最大日變噪聲水平/nT±0.021±0.030±0.018航磁測量總精度/nT±2.99±3.00±3.85

通過上述試驗，可以確定飛艇式航空磁測系統在高原、中高山、丘陵、平原、沼澤覆蓋區內應用效果良好，獲得的航磁數據符合設計要求，相比于地面勘查方法，縮短了勘查項目的運行時間。

3結論

自2011年成功試驗飛行后，飛艇式航空磁測系統先后在不同地理條件下進行實際應用飛行，取得了較好的測量效果。除關鍵部位(如發動機)外，無人飛艇均為無磁材料制造，使得飛行載體本身的磁干擾非常小，特別適用于中大比例尺的高進度航磁測量工作。但是，由于飛艇采用艇身充滿氦氣產生的浮力抵消自重升空，龐大的體積受到天氣(特別是風力)的影響較大，使得該系統在部分天氣條件下使用具有一定的局限性。此外，在地形切割較深、相對高差較大的地區，會受到局部小氣候的干擾，飛艇嚴格沿地形起伏飛行難度較大。在這種地形條件下，要保證飛行安全并獲得大比例尺的高精度數據，系統還需要進一步改進。綜上所述，該系統具有其獨特的優勢，在以下3個方面都將有很好的應用前景。

(1) 大多數重要成礦靶區地形復雜，開展地面施工較為困難；礦區及外圍的區域或被不同的企業申請了探礦權，這些探礦權區面積小而分散。應用飛艇式航空磁測系統可在這些區域的整裝勘查工作中發揮較好的作用。

(2) 飛艇式航空磁測系統在境外勘查工作中有著很好的應用前景。該系統在設備維護和出入境手續等方面相對簡單，可避免常規機載航空測量手段在起飛場地、后勤保障、空域使用方面的種種局限性，特別是在南美、非洲及東南亞等經濟欠發達地區和自然環境條件惡劣地區。

(3) 無人飛艇作為飛行平臺具有很大的擴展空間，可搭載多種輕型航空探測儀，拓展其在地質、遙感、環境、氣象等不同工作領域中的應用。

參考文獻：

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The application of unmanned blimp aeromagnetic system in different geographical conditions

WANG Bo, ZHAO Guofeng, LUO Ding, JI Yan, MA Liuzhou, LIANG Sen

(GeologicalExplorationTechnologyInstituteofJiangsuProvince,Nanjing210049,Jiangsu,China)

Abstract：Adopting unmanned blimp as its platform and equipped with high-precision aeromagnetic survey system, unmanned blimp aeromagnetic system realized unmanned driving and autonomous navigation along the designed survey line, so as to complete aeromagnetic survey in the studied area. After a successful development, fast, safe and steady trial flights were carried out in different terrain conditions and latitudinal areas. Based on the trials, it was ensured that the system has good effects on aeromagnetic survey in the areas of plateaus, mountains, hills, plains and swamplands.

Keywords：blimp; aeromagnetic survey; unmanned driving; different geographical conditions

收稿日期：2015-10-08；修回日期：2015-11-20；編輯：陳露

基金項目：中國地質調查局地質礦產調查項目“艇載航磁勘查系統示范應用與推廣”(12120113090700)

作者簡介：王波(1973—)，男，研究員級高級工程師，主要從事地質勘查與信息技術的集成研究工作，E-mail: njwangbo@qq.com

中圖分類號：P631.2+22

文獻標識碼：A

文章編號：1674-3636(2016)02-0341-05

:10.3969/j.issn.1674-3636.2016.02.341