無人機在航空物探的應用研究

王志宏（核工業航測遙感中心，中核集團鈾資源地球物理勘查中心（重點實驗室）)

介紹了航空物探的概念及飛行平臺的發展情況。結合實際工作情況，基于國產“彩虹”3無人機作為飛行平臺，研究了無人機航空物探（航磁、航放）綜合勘查系統，形成了一套安全系數高、工作效率高、測量質量高的實用化無人機航空物探綜合測量技術，同時開展了示范應用工作，取得了好的成果，是無人機技術和航空物探技術相結合的成功典范，推動了我國無人機航空物探新興產業的發展。

航空地球物理探測，簡稱航空物探，是地球物理勘探技術與航空技術相結合的一門高技術，其實質是將航空飛行器作為運載工具，裝載地球物理探測儀器在空中完成地球物理信息采集，快速獲取并研究地球巖石圈、特別是與地殼有關的多種地球物理場信息（如磁場、電磁場、重力場、放射性場），研究和尋找地下地質構造和礦產的一種物探方法。目前常用的航空物探方法有航空磁法、航空伽瑪放射性測量、航空電磁法和航空重力測量等四類，構成對地探測技術的重要組成部分。

航空物探具有效率高、成本較低，便于大面積工作、探測深度較大等優點，是基礎性和公益性地質調查、戰略性礦產勘查的重要手段，是地質勘查現代化的標志之一。航空物探在國民經濟建設中發揮著重要作用，可為礦產資源與油氣勘查資源調查評價、海洋地質調查、地下水勘查、工程地質和環境調查、基礎地質與研究、軍事與國防建設提供信息和成果。

航空物探飛行平臺的發展

航空物探飛行器的發展對航空物探測量工作的順利開展并取得良好效果起到至關重要的作用。50多年來，隨著航空物探測量儀器性能的不斷提高、飛行器的不斷發展，航空物探的機載平臺也經歷了固定翼飛機、直升機、無人機等多類、多種型號。

（1）固定翼平臺航空物探（磁、電、放、重）

使用固定翼飛機開展各種航空物探工作是該領域最廣泛也是最成熟的。固定翼飛機作為多種航空物探技術的首選飛行平臺，其優勢主要有具有更大的有效載荷；儀器安裝及飛機改裝較容易且方案多；飛行姿態穩定，飛行速度較低，適應低空飛行。不過，固定翼平臺也存在著飛行高度保持難度大，必須使用固定的、條件相對較好的機場作為基地以及在針對大比例尺測量能力方面略顯不足等問題。

（2）直升機平臺航空物探

直升機平臺的航空物探多以開展航磁測量和航空（磁、放）綜合測量為主，航空電磁測量和航空（電、磁、放）綜合測量也逐漸應用到實際生產中，直升機航空重力尚未出現。采用直升機作為航空物探平臺的主要優點表現在具有靈活的機動性，能最大限度地控制航速、離地高度等；直升機具有低速、大角度轉彎以及空中懸停等特性。這也是國內外廣泛開展吊艙式時間域航空電磁法的主要考慮因素；直升機平臺航空物探在作業基地的選擇上較靈活；但直升機平臺也存在不足之處，如整體空間小、干擾強、高頻震動劇烈等，發動機、主槳及尾槳的干擾基本覆蓋了整個機身，可提供的儀器安裝方案少，這些不足在測量數據上表現為數據噪聲較大、數據處理及調平工作量加大等。

（3）無人機平臺航空物探

近年來，隨著軍用無人機的不斷成熟，通用無人機技術也不斷出現并逐漸發展成熟。由于具有重量輕、無人駕駛、耗資低等優勢，無人機迅速廣泛地應用到各行業當中。鑒于無人員傷亡、費用低、效率高等特點，以及可預期的高精度數據、低噪聲水平、高空間分辨率的優勢，無人機航空物探系統的研發與應用日益受到廣大航空地球物理從業者的關注。

無人機航空物探的發展

我國的無人機航空物探研究起步于2010年，最初應用的無人機是從航模演變而來的航模型無人機，2013年開始真正進入無人機航空物探綜合站的研發與應用。目前較為常見的無人機航空物探主要為航空單磁測量，無人機航空放射性測量系統的研究則較少。該類型無人機主要通過投射、彈射、滑行等方式起飛，通過攔網、傘降、滑行等方式回收，但安全回收的成功率仍然不高，這勢必會造成不可預期的成本風險變高。

無人機航空物探（磁、放）勘查系統的技術要求

（1）無人機平臺有效載荷要求

航空放射性測量系統探測器通常采用碘化鈉（NaI）晶體、塑料晶體等，單條晶體典型尺寸為10cm×10cm×40cm，重量約17kg。通常多條晶體封裝在一個絕熱箱內，搭載5條晶體總重約120kg，搭載3條晶體總重約65.9kg，該系統的體積和重量都很大；航磁設備重量則相對較輕，磁探頭與電子器件總重約2.65kg。因此要求無人機平臺具有大的空間和載荷。

（2）無人機性能穩定性要求

由于航空物探測量設備一般為高技術設備，核心技術多掌握在國外知名地球物理公司。當代航空物探設備一般具有高分辨率、超高分辨率，大探測深度，高靈敏度、高精度性能等，因此要求無人機在起飛、飛行、降落過程中姿態穩定，取得高質量航空物探數據的同時確保測量系統性能安全。

（3）數據采集技術要求

(a) 測區踏勘，高大建筑物應提前做好標記；做好測區空域及機場的協調。

（b）早晚沿地形平坦開闊的基線進行測試飛行。

（c）沿地形起伏飛行，平均離地飛行高度控制在120m；航速控制在160～200km/h之間。

（d）提前對準測線，保持姿態進線；測線結束需保持姿態平穩出線。

無人機航空物探系統研發

依據“彩虹”3無人機性能，結合航空物探測量系統，開展了科研攻關。分別完成了航放測量系統小型化技術、無人機改裝技術、航空物探遠程監控技術等。

（1）無人機載荷艙空間狹小，載荷能力弱，設計了小型化主機和高度集成的晶體探測器，實現了航放測量系統的小型化。

（2）“彩虹”3無人機的最大有效載荷為160～180 kg，根據無人機的載荷和結構，設計無人機航空物探測量系統載荷艙單獨安裝1箱3條晶體探測器，磁探頭安裝在無人機左側機翼前。

（3）根據無人機航空物探作業需求，研究了無人機航空作業遠程監控技術。設計了地面監控程序，實現了無人機航放測量過程實時控制，遠距離實時觀測和收錄數據等。

無人機航空物探系統取得的成果

通過技術攻關，完成了世界上第一套具備實際作業能力、基于無人機的航空物探（磁/放）綜合勘查系統，取得如下成果：

（1）完成了“彩虹”3無人機航空物探（磁/放）綜合站的改造工作，基本達到實用化水平；開展了航放、航磁氣動優化、超低空飛行控制優化等工作，低空地形起伏飛行能力和復雜氣象條件適應能力得到顯著提高。

（2）研發了無人機航空磁法測量遠程控制系統、小型化無人機航空放射性測量系統，突破了測量系統的電磁兼容、磁場補償、放射性校準（數據處理）、自主避障和遠程測控等技術難題。

（3）具備了超低空隨地形起伏飛行能力，續航超過10h，單架次航程超過2000km、作業半徑超過500km、測控精度優于±10m的長航時、大航程、超視距、高精度飛控能力。

（4）開創了航空物探超低空全夜航探測勘查模式。

（5）系統具備在海拔5000m高山區開展資源環境勘查工作的潛力，探索了“一站多機”測量方法，單套系統每年度可完成5萬～10萬測線千米的飛行測量工作量。

無人機航空物探應用

應用無人機航空物探勘查系統分別完成了黑龍江多寶山、新疆克拉瑪依、塔里木盆地50架次、200飛行小時的飛行試驗，創下了夜航單架次航時8h、航程1569km的飛行測量紀錄。由航放測量總計數率成果對比圖可知，與有人機對比，兩者飛行測線方向不同，搭載晶體數量不同，但反映出該地區的放射性分布狀況基本吻合，無人機測量數據能夠反映出已知K異常的存在。由航磁測量成果對比圖可知，從數據質量來看，與同期開展的Y12固定翼飛機航測成果相當，甚至更好，圖中標注的A、B、C三處細節對比均表現出無人機航磁優于固定翼飛機測量成果。

（上左）航放測量主機實現了小型化。

（上右）航放測量總計數率成果對比圖（左：無人機；右：有人機）。

（下）航磁測量成果對比圖（左：無人機；右：有人機）。

未來展望

無人機航空物探之所以倍受青睞，主要是因為無人機平臺具有安全性好、適應性強、經濟高效、減少傷亡等優勢。這種新的航測作業方式目前僅適用于開展小面積的大比例尺高精度測量工作，要開展大面積的勘查任務，尚需要在諸如障礙物自動規避、提高沿地形起伏的三維航線規劃、鏈路通視分析、數據加密保護以及制定標準化的工作流程等方面進一步開展研究工作。隨著無人機平臺的發展和推廣應用工作的深入，無人機航空物探測量技術必將在礦產資源勘查、環境航空調查、核應急等工作中發揮更大的作用。 ■