彩虹-Ⅲ型無人機(jī)航空磁測系統(tǒng)應(yīng)用示范效果評(píng)述

崔志強(qiáng)，李 飛，胥值禮

(1.中國地質(zhì)科學(xué) 院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,廊坊 065000；2.國家現(xiàn)代地質(zhì)勘查工程技術(shù)研究中心,廊坊 065000)

0 引言

無人機(jī)航空物探系統(tǒng)以其費(fèi)用低、小型化、智能化、效率高、人員安全等優(yōu)勢，具有廣闊的應(yīng)用前景，日益受到航空地球物理界的廣泛關(guān)注。將先進(jìn)的無人機(jī)技術(shù)和航空物探技術(shù)相結(jié)合，研發(fā)智能化程度高的無人機(jī)航空物探測量系統(tǒng)，成為國、內(nèi)外航空物探領(lǐng)域的一個(gè)重要發(fā)展方向。

著眼于無人機(jī)航空物探技術(shù)的優(yōu)勢，進(jìn)入21世紀(jì)后，國際上多個(gè)國家都先后開展了無人機(jī)航空物探裝備技術(shù)的研發(fā)工作，取得了顯著的成果。據(jù)已掌握資料，最早開展此類工作的是英國Magsurvey公司在2003年研發(fā)了PrionUAV航空磁測系統(tǒng)(張洪瑞等，2007)[21]。在2004年-2013年間，荷蘭、加拿大、芬蘭、德國、日本等多個(gè)國家根據(jù)不同目的研發(fā)了相關(guān)的無人機(jī)航空物探測量系統(tǒng)[1-10]。這些無人機(jī)航空物探系統(tǒng)在礦產(chǎn)勘查、UXO探測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域開展了試驗(yàn)或應(yīng)用，取得了較好的效果。其中最成熟的是加拿大UniversalWing公司利用Venturer型無人機(jī)集成銫光泵磁力儀形成無人機(jī)航磁系統(tǒng)，系統(tǒng)采樣率為10 Hz，靜態(tài)噪聲水平為2 pT，并使用該系統(tǒng)開展了多次油氣勘查測量工作。

國內(nèi)相關(guān)研究工作起步于2008年，中船重工第七一五研究所最早開始了基于V750無人直升機(jī)平臺(tái)的航空磁測系統(tǒng)。2009年-2011年間，中國科學(xué)院遙感與數(shù)字地球研究所和中國國土資源航空物探遙感中心分別利用航模型無人機(jī)和愛生ASN-216型無人機(jī)，搭載氦光泵磁力儀，集成了小型無人機(jī)航磁測量系統(tǒng)，均僅開展了試飛工作，尚未開展面積性測量[11-12]。2013年中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所(物化探所)基于彩虹-Ⅲ中型無人機(jī)平臺(tái)和高精度銫光泵磁力儀，集成了彩虹-Ⅲ型無人機(jī)航空磁測系統(tǒng)，經(jīng)過13 000 km的試驗(yàn)生產(chǎn)測試，改進(jìn)完善了系統(tǒng)功能，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國內(nèi)航空磁測技術(shù)規(guī)范(DZ/T 0142-2010)(以下簡稱航磁規(guī)范)要求，系統(tǒng)噪聲及測量精度達(dá)到國際先進(jìn)水平。筆者使用該套系統(tǒng)已完成170 000余千米的高精度航磁測量工作。通過不斷改進(jìn)完善方法技術(shù)，解決了系統(tǒng)應(yīng)用中存在的部分不足，提高系統(tǒng)的測量能力，對(duì)后續(xù)該系統(tǒng)的廣泛推廣應(yīng)用具有重要意義。

1 系統(tǒng)研發(fā)與完善

2013年受中國地質(zhì)調(diào)查局委托，物化探所啟動(dòng)了無人機(jī)航磁測量系統(tǒng)的研究工作。在中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院(航天十一院)的協(xié)助下，基于自主研發(fā)的彩虹-Ⅲ型中型無人機(jī)平臺(tái)，采用電氣隔離供電、數(shù)據(jù)采集和通訊協(xié)議轉(zhuǎn)換多個(gè)轉(zhuǎn)換單元，降低無人機(jī)和航磁儀之間的傳導(dǎo)干擾，解決了電磁兼容、協(xié)議轉(zhuǎn)換和輔助信號(hào)同步采集等系統(tǒng)集成問題，成功將CS-VL高精度銫光泵磁力儀和AARC510航磁數(shù)據(jù)收錄及補(bǔ)償器搭載于無人機(jī)平臺(tái)上，形成了國內(nèi)首套基于長航時(shí)中型無人機(jī)的航空磁測樣機(jī)系統(tǒng)。系統(tǒng)采樣率為10 Hz，靜態(tài)噪聲水平為2pT[13]。2014年通過基于地形濾波的多傳感器融合高度跟隨算法，綜合考慮了飛機(jī)高空平飛、下滑過渡、末端拉平、低空巡航等不同飛行模態(tài)之間的轉(zhuǎn)換，采用互補(bǔ)濾波器對(duì)無線電高度和氣壓高度進(jìn)行融合，開發(fā)了超低空飛行控制律及其軟件模塊。通過對(duì)飛機(jī)油門、俯仰角、高度等參數(shù)的提前設(shè)置，保證整個(gè)飛行過程中飛行平臺(tái)能夠在各個(gè)狀態(tài)間平穩(wěn)過渡，實(shí)現(xiàn)了離地100 m～120 m的低空依地形平穩(wěn)飛行能力。2015年采用電磁屏蔽、電氣隔離、干擾源弱磁化處理等一系列技術(shù)手段，設(shè)計(jì)了飛行姿態(tài)精確控制磁補(bǔ)償飛行方案，解決了無人機(jī)磁干擾背景大和補(bǔ)償飛行機(jī)動(dòng)動(dòng)作不規(guī)范等技術(shù)，無人機(jī)磁干擾補(bǔ)償精度優(yōu)于0.08 nT。同時(shí)對(duì)系統(tǒng)的外形進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，磁探頭艙外形改為水滴狀、并采用三角支架固定在機(jī)翼外延，增加了與干擾源的距離，而且增加了穩(wěn)定性，提高了抗干擾能力(圖1)。定型系統(tǒng)航速為170 km/h～200 km/h，最大航行時(shí)間為12 h，最大航程達(dá)2 000 km，最高升限5 000 m，測控定位精度優(yōu)于±5 m，初步具備了高精度實(shí)用化測量能力。

圖1 CH-3型無人機(jī)航空物探測量系統(tǒng)

2 航空物探三維航跡規(guī)劃技術(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)和改進(jìn)完善解決了低空平穩(wěn)飛行的機(jī)動(dòng)性能技術(shù)問題，但由于系統(tǒng)在低空自主飛行是依據(jù)其自身獲取的實(shí)時(shí)雷達(dá)高度數(shù)據(jù)進(jìn)行，需前方超視距外地形高程變化率在小于無人機(jī)爬升率的情況下，在雷達(dá)高度有效飛行高度區(qū)間內(nèi)才能實(shí)現(xiàn)自主飛行[14-15]。隨著應(yīng)用示范區(qū)域的不斷調(diào)整，測區(qū)地形從低海拔丘陵淺切割區(qū)到中等海拔低山中等地形切割區(qū)，再到高海拔的盆山結(jié)合帶地形深切割區(qū)。測區(qū)局部地形變化必然超出了飛機(jī)的爬升率，如采用無人機(jī)全自主導(dǎo)航飛行，無人機(jī)勢必?zé)o法飛躍測線前方的高山，存在巨大的飛行安全隱患。為解決無人機(jī)在復(fù)雜地形條件下開展高精度航空物探測量低空沿地形緩起伏飛行的自主導(dǎo)航問題，開發(fā)了三維航跡規(guī)劃軟件。采用高精度數(shù)字高程模型，結(jié)合無人機(jī)的機(jī)動(dòng)性能，對(duì)飛行測線事先進(jìn)行三維航跡規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)無人機(jī)安全、平穩(wěn)、低高度的完成復(fù)雜地形區(qū)的測量工作[16]。其基本思路是首先抽取測線對(duì)應(yīng)的地形剖面，識(shí)別剖面上的所有高/低拐點(diǎn)，結(jié)合初始擬定的飛行高度，逐個(gè)對(duì)測線上地形拐點(diǎn)進(jìn)行飛行高度調(diào)整和插值擬合，再采用同樣的方法對(duì)各控制360°方位上一定距離范圍內(nèi)(通常以無人機(jī)的拐彎半徑距離作為基準(zhǔn))鄰近區(qū)的地形情況對(duì)測線上控制點(diǎn)的飛行高度進(jìn)行二次調(diào)整，得到匹配無人機(jī)機(jī)動(dòng)性能的飛行高度控制點(diǎn)數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步提取關(guān)鍵控制點(diǎn)，對(duì)各控制點(diǎn)設(shè)置相應(yīng)的爬升或下降率，組成飛行測線的導(dǎo)航控制數(shù)據(jù)。在飛行前通過把導(dǎo)航控制數(shù)據(jù)預(yù)置進(jìn)無人機(jī)飛控系統(tǒng)，無人機(jī)即可自主完成復(fù)雜地形的飛行測量工作。

通過軟件實(shí)現(xiàn)該功能后，用于實(shí)際飛行測量中的飛行高度設(shè)定，在塔里木盆地南緣盆山過渡區(qū)用于效果較好。圖2為盆地南緣其中一條測線進(jìn)行的飛行高度規(guī)劃和實(shí)際飛行高度結(jié)果(藍(lán)色線為實(shí)際飛行高度曲線)，可以看出，在進(jìn)行飛行高度規(guī)劃后，無人機(jī)能夠根據(jù)航路控制點(diǎn)控制信息(主要含控制點(diǎn)高度和后續(xù)采用的爬升率或下降率)，按照雷達(dá)高度依地形起伏飛行，基本實(shí)現(xiàn)了航跡設(shè)計(jì)可預(yù)期。圖3顯示是通過三維航跡規(guī)劃安全越過地形高點(diǎn)和深溝的飛行實(shí)例，當(dāng)?shù)匦巫兓跓o人機(jī)爬升/下降率內(nèi)的航段，無人機(jī)能夠根據(jù)自身雷達(dá)高度進(jìn)行沿地形起伏的超低空自主飛行，當(dāng)?shù)匦纬霈F(xiàn)突變點(diǎn)時(shí)需通過三維航跡規(guī)劃實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)越障。圖3(a)測線的危險(xiǎn)點(diǎn)(藍(lán)色圓圈處)為一陡立凸峰，地形變化超過了CH-3無人機(jī)的爬升率，需事先設(shè)定無人機(jī)在凸峰前的爬升點(diǎn)及相應(yīng)爬升率，控制無人機(jī)在危險(xiǎn)點(diǎn)前一定距離處開始脫離沿地形起伏飛行跟隨狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)越障；圖3(b)測線的危險(xiǎn)點(diǎn)為一狹窄下切深溝，同樣需事先控制無人機(jī)的下降率和提前爬升位置及爬升率，實(shí)現(xiàn)安全越障。

圖2 復(fù)雜地形無人機(jī)飛行控制仿真計(jì)算與實(shí)際飛行結(jié)果對(duì)比

圖3 測線實(shí)際飛行高度與地形剖面圖

圖4 塔里盆地邊緣盆山過渡區(qū)的地形、測線飛行高度及航磁測量數(shù)據(jù)對(duì)比圖

在地形較復(fù)雜地區(qū)，相鄰不同架次、不同測線或不同飛行方向上的飛行高度差異過大會(huì)對(duì)飛行數(shù)據(jù)質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。圖4 (a)～圖4(c)、圖4(d)～圖4(f)分別是塔里盆地西南邊緣盆山過渡區(qū)內(nèi)兩個(gè)鄰近測量子區(qū)的航跡測控結(jié)果及航磁原始數(shù)據(jù)。兩區(qū)地形情況相似，均是從北向南海拔快速升高，北端海拔在1 500 m左右，南端海拔近3 400 m。由于A區(qū)測量時(shí)未進(jìn)行航高規(guī)劃，可以看出相鄰架次或同一架次不同飛行方向(向南或向北)的飛行高度(圖4(b))差異較大，呈現(xiàn)出明顯的南北向高低相間條帶；而B區(qū)測量前進(jìn)行了詳細(xì)的航高規(guī)劃，充分考慮了相鄰測線的飛行高度變化，實(shí)測結(jié)果(圖4(e))顯示飛行高度與地形呈現(xiàn)出一致的反鏡像關(guān)系，說明測量飛行時(shí)無人機(jī)能夠依地形緩起伏飛行，在山前提前爬升，以較低的離地高度飛過地形高點(diǎn)。再從實(shí)測的航磁數(shù)據(jù)來看，由于A區(qū)相鄰測線飛行高度差異過大，航磁△T平面圖上的磁場梯度帶延伸不穩(wěn)定，呈緩波浪狀，而B區(qū)的航磁數(shù)據(jù)則未表現(xiàn)出類似的現(xiàn)象，磁場梯度帶平穩(wěn)延伸?？梢钥闯?，在B區(qū)較A區(qū)地形相似甚至更復(fù)雜的情況下，通過使用三維航跡規(guī)劃，不僅平均飛行高度較A區(qū)低近400 m，實(shí)現(xiàn)了較復(fù)雜地形的低空沿地形緩起伏飛行，獲得了更高質(zhì)量的航磁原始數(shù)據(jù)。

實(shí)踐結(jié)果表明，該功能解決了系統(tǒng)在復(fù)雜地形區(qū)低空自主飛行過程中對(duì)前方雷達(dá)超視距外地形突變判斷能力的缺失，不僅使之在前方地形突變的情況下能提前均勻緩慢爬升，可使相鄰測線飛行間高度一致或均勻變化，使測線與切割線交點(diǎn)處飛行高度保持一致，并且該功能還能夠保障無人機(jī)在沿測線飛行過程中，在測線上任一位置都能朝向任意方位實(shí)現(xiàn)緊急爬升避險(xiǎn)或返航。這不僅保障了測線飛行中的飛行安全，也降低了在飛行測量過程中無人機(jī)機(jī)動(dòng)幅度過大對(duì)測量數(shù)據(jù)的干擾，或相鄰測線飛行高度差異過大對(duì)測量數(shù)據(jù)總體質(zhì)量造成的影響，提高了系統(tǒng)的地形適應(yīng)能力和測量數(shù)據(jù)整體質(zhì)量。

3 主要測試指標(biāo)及航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量

3.1 靜態(tài)測試及指標(biāo)

新系統(tǒng)在正式投入應(yīng)用示范前，需嚴(yán)格按照航磁規(guī)范測試要求，整裝系統(tǒng)在地面完成穩(wěn)定性、靜態(tài)噪聲、階躍響應(yīng)、轉(zhuǎn)向差等指標(biāo)測試，同時(shí)需要與成熟系統(tǒng)進(jìn)行一致性均優(yōu)于達(dá)航磁規(guī)范要求。經(jīng)多次測試，系統(tǒng)連續(xù)工作5 h穩(wěn)定性任意10 s內(nèi)在0.03 nT～0.08 nT之間(要求小于0.1 nT)，采樣率在1 Hz～10 Hz之間(可選)，靜態(tài)噪聲水平在2.521 pT～7.263 pT之間(要求小于10 pT)，階躍響應(yīng)時(shí)間在0.4 s～0.6 s之間(要求小于1 s)，磁探頭轉(zhuǎn)向差在0.15 nT～0.65 nT之間(要求小于1 nT)，5 h連續(xù)測量一致性差值范圍0.146 nT～0.484 nT(要求小于0.5 nT)，本無人機(jī)航空磁測系統(tǒng)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到航磁規(guī)范要求。

3.2 磁干擾補(bǔ)償及方向差

靜態(tài)測試達(dá)到要求后，需對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試(磁干擾補(bǔ)償及方向差測試)。高質(zhì)量的磁干擾補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)高精度測量的前提，針對(duì)無人機(jī)磁場干擾強(qiáng)，磁補(bǔ)償飛行難于實(shí)施的問題，采用了干擾源弱磁化處理、飛行姿態(tài)精確控制的磁補(bǔ)償飛行方案，通過精確的航路點(diǎn)、機(jī)動(dòng)動(dòng)作以及飛行速度計(jì)算，嚴(yán)格控制無人機(jī)的機(jī)動(dòng)動(dòng)作及幅度，強(qiáng)制無人機(jī)實(shí)現(xiàn)規(guī)定的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的磁干擾補(bǔ)償。

圖5為2016年無人機(jī)磁干擾補(bǔ)償后驗(yàn)證飛行中一條邊的綜合數(shù)據(jù)剖面，可以看出，在未補(bǔ)償?shù)脑紨?shù)據(jù)中，當(dāng)飛機(jī)進(jìn)行偏航、側(cè)滾和俯仰三組飛機(jī)機(jī)動(dòng)動(dòng)作時(shí)，引起了不同強(qiáng)度的規(guī)律性干擾異常；而經(jīng)過補(bǔ)償計(jì)算后的數(shù)據(jù)曲線平滑，有效地抑制了飛機(jī)機(jī)動(dòng)動(dòng)作造成的干擾，本次補(bǔ)償精度達(dá)到了0.021 5 nT(優(yōu)于0.08 nT的航磁規(guī)范要求)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的磁干擾補(bǔ)償。但也不難看出，該無人機(jī)平臺(tái)無法分別單獨(dú)完成側(cè)滾和偏航姿態(tài)，在進(jìn)行側(cè)滾時(shí)需要一定的偏航輔助，在進(jìn)行偏航時(shí)需要側(cè)滾輔助，二者需相輔相成。由于是受無人機(jī)自身機(jī)動(dòng)性能的限制，在實(shí)際測線飛行過程中亦是如此，因此對(duì)測量數(shù)據(jù)不會(huì)造成影響。從應(yīng)用示范中的多次補(bǔ)償結(jié)果看，補(bǔ)償后標(biāo)準(zhǔn)差在0.016 nT～0.063 nT之間(均優(yōu)于0.08 nT的航磁規(guī)范要求)，滿足高精度航磁測量的要求。

空中方向差測試是地面磁探頭轉(zhuǎn)向差測試的動(dòng)態(tài)驗(yàn)證，也是后期進(jìn)行數(shù)據(jù)調(diào)平的重要參數(shù)。其測試過程通常與磁干擾補(bǔ)償飛行一并完成，在磁干擾補(bǔ)償完成參數(shù)飛行及驗(yàn)證飛行并達(dá)到補(bǔ)償要求后，在補(bǔ)償飛行的四邊形內(nèi)進(jìn)行十字交叉線的反向重復(fù)飛行，通過計(jì)算反向重復(fù)線在交叉點(diǎn)處的磁場差值，作為空中方向差測試評(píng)價(jià)指標(biāo)，在測試過程中要求正/反向飛行航跡平面位置及飛行高度保持嚴(yán)格一致。多次測試的結(jié)果顯示，航磁空中方向差多在0.6 nT～0.90 nT之間，滿足航磁規(guī)范優(yōu)于±1 nT的要求。

3.3 飛行測控精度

系統(tǒng)主要采用地面站無線電通訊測控，具有測控精度高、通訊及時(shí)等特點(diǎn)，大量應(yīng)用示范結(jié)果顯示，在飛行前對(duì)航跡進(jìn)行三維規(guī)劃后，單架次航跡平均偏航距離可優(yōu)于±10 m，平均飛行高度較設(shè)計(jì)可控制在±5 m內(nèi)，基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)可預(yù)期的目標(biāo)。從在克拉瑪依示范區(qū)的實(shí)際飛行數(shù)據(jù)來看，正式測量前開展了不同高度飛行控制律驗(yàn)證試驗(yàn)，最終確定全區(qū)平均飛行高度設(shè)定為130 m。實(shí)際飛行高度統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示(圖6)，全區(qū)平均飛行高度為129.59 m，以127.72 m中心呈正態(tài)分布，小于150 m的測點(diǎn)占比為89.3%，飛行高度在100 m～150 m之間的數(shù)據(jù)點(diǎn)占比80%以上。偏航距統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示：平均偏航距為8.23 m，偏航小于20 m的測點(diǎn)占比96.0%，測網(wǎng)疏密度為250±4.7 m，實(shí)現(xiàn)了高精度測控。

3.4 航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量

衡量航空磁測數(shù)據(jù)質(zhì)量的優(yōu)劣除依據(jù)上述的一系列靜態(tài)測試指標(biāo)和磁干擾補(bǔ)償標(biāo)準(zhǔn)差外，動(dòng)態(tài)噪聲和測量總精度是兩個(gè)重要的衡量指標(biāo)。從多個(gè)示范區(qū)已完成實(shí)測數(shù)據(jù)質(zhì)量指標(biāo)統(tǒng)計(jì)來看(表1)，隨著系統(tǒng)的不斷改進(jìn)、飛行控制及相關(guān)輔助技術(shù)的不斷提高，動(dòng)態(tài)噪聲水平逐漸降低，一級(jí)資料(≤0.08 nT)占總測點(diǎn)數(shù)達(dá)到99%。隨著三維航跡規(guī)劃的應(yīng)用，主測線和切割線測網(wǎng)的飛行高度的一致性及飛行姿態(tài)的平穩(wěn)性大大提高，調(diào)平前的原始總精度從早期的25.52 nT降低到2.77 nT，改善明顯，調(diào)平后總精度均在2.0nT以內(nèi)(均優(yōu)于3 nT的要求)。在數(shù)據(jù)質(zhì)量方面的提升主要得益于系統(tǒng)的改進(jìn)和完善，其中可預(yù)期的飛行測控能力地實(shí)現(xiàn)起到了明顯的作用。

圖5 磁干擾補(bǔ)償結(jié)果

表1 各示范區(qū)航磁原始數(shù)據(jù)質(zhì)量主要指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

圖6 示范區(qū)無人機(jī)飛行控制質(zhì)量統(tǒng)計(jì)結(jié)果

4 測量效果評(píng)述

4.1 成果數(shù)據(jù)比對(duì)

從2013年開始，運(yùn)用該套系統(tǒng)在我國東北和西北3個(gè)不同地形區(qū)進(jìn)行了面積性測量示范，目前已累計(jì)完成測量逾17 km。示范區(qū)海拔從300 m～5 000 m，相對(duì)高差從<100 m～>3 000 m，勘查地質(zhì)目標(biāo)從多金屬礦產(chǎn)到油氣地質(zhì)構(gòu)造，均以優(yōu)于設(shè)計(jì)要求的測量精度完成了飛行測量任務(wù)。圖6、圖7是航磁測量儀器精度相同的情況下，不同示范區(qū)的測量成果數(shù)據(jù)比對(duì)。

圖7 東北某區(qū)Y12航磁系統(tǒng)與彩虹-3無人機(jī)航磁系統(tǒng)成果數(shù)據(jù)對(duì)比圖

圖8 西北某區(qū)固定翼Y12航磁系統(tǒng)與彩虹-3無人機(jī)航磁系統(tǒng)成果數(shù)據(jù)對(duì)比圖

在成果數(shù)據(jù)的宏觀對(duì)比上，Ch-3型航磁系統(tǒng)和成熟的Y12有人機(jī)駕駛航磁系統(tǒng)獲取的磁場數(shù)據(jù)反映的主體異常完全相同，各主體異常的位置、形態(tài)、范圍、異常強(qiáng)度以及異常間相互組合特征完全一致，綜合顯示該無人機(jī)航磁測量系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)真實(shí)準(zhǔn)確。圖7中北部的花崗巖體引起的強(qiáng)磁異常和中東部的火山機(jī)構(gòu)引起的環(huán)形磁異常結(jié)構(gòu)和圖8中近東西向的超基性巖強(qiáng)磁異常帶和北西向鉀長花崗巖強(qiáng)磁異常等主體異常的宏觀形態(tài)完全一致。

從測量成果顯示的細(xì)節(jié)上看，無人機(jī)系統(tǒng)的測量成果對(duì)局部弱磁異常更加清晰，異常結(jié)構(gòu)更加完整，數(shù)據(jù)總體質(zhì)量更高，對(duì)進(jìn)一步的數(shù)據(jù)資料地質(zhì)綜合解釋更加有利。圖8中部磁場平穩(wěn)變化區(qū)內(nèi)沿構(gòu)造展布的北東向和近南北向兩組弱磁異常帶，圖7北部低緩平靜磁場區(qū)內(nèi)的兩組近南北向弱磁異常帶以及北東向串珠狀異常帶，無人機(jī)航空磁測成果數(shù)據(jù)均較Y12平臺(tái)測量成果更加清晰。這對(duì)進(jìn)一步認(rèn)識(shí)地質(zhì)構(gòu)造和追蹤找礦有利區(qū)更加有利。

4.2 重復(fù)線質(zhì)量

往返重復(fù)線測量不僅是對(duì)測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)質(zhì)量(包括儀器精度、補(bǔ)償水平、定位精度、數(shù)據(jù)修正水平等方面)的一個(gè)檢驗(yàn)，是驗(yàn)證測量系統(tǒng)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性的重要方法，也包括對(duì)飛行技術(shù)等因素的綜合考量。筆者利用徐東禮等[17]提出的重復(fù)線測量數(shù)據(jù)均方差(即內(nèi)符合精度)來量化重復(fù)線和測線磁異常的重合程度。圖9是某示范區(qū)的4條重復(fù)線測量情況，除L210線局部航段受飛行高度影響外，同一測線兩次重復(fù)觀測的航磁曲線顯示的異常形態(tài)、異常強(qiáng)度等一致性非常好，航跡重合度非常高。用內(nèi)符合精度指標(biāo)計(jì)算，L40和L160的航磁數(shù)據(jù)內(nèi)符合總精度分別為:1.081 nT和0.707 nT，測線導(dǎo)航定位內(nèi)符合總精度分別為:1.814 m和2.521 m。結(jié)果顯示測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性高；無人機(jī)飛行測控精度高，對(duì)獲得高質(zhì)量重復(fù)線測量成果至關(guān)重要。

5 塔里盆地西南部應(yīng)用示范效果簡述

從2015年開始，使用該系統(tǒng)在塔里木盆地西南部喀什至和田地區(qū)開展大面積的應(yīng)用示范，目的是研究盆地的磁性基底起伏、推斷斷裂分布、圈定近地表的含油氣有利局部構(gòu)造，為地面綜合物探工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和參考解釋成果。該區(qū)地表大部為沙漠覆蓋，整體地形平坦，自北向南逐漸升高，靠近盆地邊緣的山前地帶局部有高山，海拔從1 000 m至5 200 m，最大高差在3 000 m左右，形成沙漠區(qū)和高山區(qū)并存的特征。目前已累計(jì)完成約70 000 km2的測量工作，沙漠平原區(qū)的平均飛行高度為181 m(設(shè)計(jì)高度180 m)，平均偏航距為3.4 m，測線平均動(dòng)態(tài)噪聲范圍5.344 pT-69.542 pT，一級(jí)資料占總測點(diǎn)數(shù)的99.96%，取得了高質(zhì)量的測量原始數(shù)據(jù)。

圖9 重復(fù)線航磁數(shù)據(jù)剖面對(duì)比圖

根據(jù)資料顯示[18]，盆地基底由太古界和下元古界變質(zhì)巖系組成，具有較強(qiáng)磁性，基底上沉積有巨厚的太古界至新生界地層，除分布較集中的下二疊統(tǒng)上部火山巖層具有較強(qiáng)磁性和上第三系阿圖什組砂巖具有弱磁性外，其余地層均為無或極弱磁性特征。本區(qū)大地構(gòu)造位于塔西南坳陷南部與西昆侖山前沖斷帶的過渡部位，斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要發(fā)育有推覆、反沖、走滑等多種性質(zhì)斷裂，各級(jí)斷裂不僅構(gòu)成了不同構(gòu)造單元的邊界，控制了盆地基底起伏，而且控制了上覆古生界—新生界沉積地層的展布，形成了一系列局部構(gòu)造圈閉，其形成與演化控制了區(qū)內(nèi)的油氣運(yùn)移和聚集成藏[19-20]。但地表大部被現(xiàn)代沙漠覆蓋，僅在測區(qū)南部邊緣有新生代、古生代及前震旦系基巖出露(圖9(a))。

本區(qū)實(shí)測航磁數(shù)據(jù)顯示(圖9(b))，磁場總體非常平穩(wěn)，宏觀上由兩組北東走向、相互平行的正、負(fù)磁異常相間排列構(gòu)成，正、負(fù)異常之間緩慢平穩(wěn)過渡，梯度平緩變化，正磁異常由由北向南逐漸降低，西南端融入沿西昆侖山前展布負(fù)磁異常中，在正磁異常帶南端梯度帶上局部可見10 nT～30 nT不等的局部疊加異常。結(jié)合本區(qū)巖石地層磁性特征不難推斷，區(qū)域背景磁場為前震旦系盆地變質(zhì)結(jié)晶基巖引起，磁場的相對(duì)高低分別是不同的基底巖相或基底隆坳格局的反映。區(qū)域磁場上自西向東分別為莎車-葉城低值區(qū)、葉城-皮山高值區(qū)、皮山-藏桂低值區(qū)和杜瓦-墨玉高值區(qū)，與之對(duì)應(yīng)的基底巖相構(gòu)造帶分別是葉城弱磁復(fù)向斜褶皺帶、皮山高磁復(fù)背斜褶皺帶、藏桂巴扎弱磁復(fù)向斜褶皺帶和墨玉強(qiáng)磁性復(fù)背斜褶皺帶。

為對(duì)近地表局部圈閉進(jìn)行研究，筆者對(duì)非線性濾波后的實(shí)測值進(jìn)行水平二階導(dǎo)數(shù)計(jì)算(圖9(c))，同時(shí)參考多種轉(zhuǎn)換圖件，用以推斷表生斷裂、識(shí)別近地表的弱磁性局部構(gòu)造。結(jié)果顯示本區(qū)發(fā)育北東、南東兩組斷裂構(gòu)成，南東、南東東走向斷裂大多為由南向北的逆沖斷裂，部分為由北向南的反沖斷裂，北東走向斷裂為壓扭走滑性質(zhì)，兩組斷裂剖面上相互制約，形成菱形格網(wǎng)構(gòu)造格局。兩組斷裂對(duì)沉積蓋層的空間展布控制明顯，在深部對(duì)古生界或中生界地層形成大量的三角帶構(gòu)造、疊瓦逆沖構(gòu)造等，在淺部對(duì)新生界巨厚的上第三系弱磁性砂巖層控制，形成大量的斷層傳播褶皺或斷層轉(zhuǎn)折褶皺，該組褶皺是本區(qū)上第三系重要的油氣圈閉構(gòu)造類型，這些由弱磁性砂巖構(gòu)成的背斜隆能夠引起幾～十幾納特的局部異常，這些局部異常是淺部局部構(gòu)造的直接反映。圖9(c)中的橢圓狀點(diǎn)線為綜合圈定的與淺部弱磁性層有關(guān)的局部構(gòu)造，這些由弱磁性局部構(gòu)造引起的局部異常磁場水平梯度變化微弱，但數(shù)據(jù)單個(gè)異常顯示形態(tài)規(guī)則，平面延伸穩(wěn)定，與已知構(gòu)造帶吻合。主要可分為三條北西-南東走向的弧形局部構(gòu)造帶，分別是位于烏夏巴什以南的莆沙—桑株構(gòu)造帶(本區(qū)著名的柯克亞油氣田即位于該構(gòu)造帶內(nèi))、葉城至烏夏巴什之間的棋北-固滿構(gòu)造帶(含已知的棋北構(gòu)造和指揮部構(gòu)造)和葉城以北的捷得-布瓦什構(gòu)造帶(有已知的澤普構(gòu)造和克拉克依構(gòu)造)，各構(gòu)造帶又由多個(gè)局部構(gòu)造帶組成，它們沿昆侖山前近似平行展布，其成因是受北西-南東向擠壓斷裂形成，而北東向擠壓走滑斷裂對(duì)個(gè)別局部構(gòu)造有一定的破壞作用。使用空間域非線性濾波、小波變換等方法，剔除疊加在背景場上的局部異?；蜉^微弱的短波異常，獲得反映深部地質(zhì)結(jié)構(gòu)的區(qū)域背景場數(shù)據(jù)。采用歐拉反褶積方法，對(duì)分離的區(qū)域背景場進(jìn)行深度計(jì)算得到本區(qū)磁性基底深度圖(圖9(d))，宏觀上顯示的基底隆坳格局與以往地質(zhì)資料吻合。局部細(xì)節(jié)上反映出更豐富的地質(zhì)信息，如北東向伸展的莎車鞍狀凸起，夾持于葉爾羌河(F4、F2)和吐布拉孜斷裂之間，與北西的英吉沙東部凹陷、南東葉城凹陷基底深度相差5 km～7 km，凸起西端受北西向莎車斷裂(F1)控制。葉城以西的棋盤鼻狀凸起自西向東基底深度從-3 km逐漸下陷至-10 km左右，并且受北西向的齊姆根擠壓走滑斷裂(F3)控制。并且在莎車鞍狀凸起、棋北鼻狀凸起、葉城凹陷等構(gòu)造單元內(nèi)還清晰的顯示出一些次級(jí)隆起和洼陷，由于這些基底的局部隆起或洼陷大多是在海西—喜山期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中形成，因此其上覆古生界—中-新生界沉積蓋層勢必受到基底隆坳的影響，形成同形隆起或洼陷，這對(duì)進(jìn)一步研究古生界及中新生界的含油氣有利構(gòu)造圈閉及古隆起型圈閉具有重要指示作用。

圖10 塔里木盆地西南部無人機(jī)航磁成果數(shù)據(jù)與綜合解釋成果

從本區(qū)航磁數(shù)據(jù)顯示的豐富地質(zhì)構(gòu)造信息來看，高質(zhì)量的測量原始數(shù)據(jù)起到了至關(guān)重要的作用，尤其是對(duì)近地表新生界弱磁性巖層受構(gòu)造影響形成的局部構(gòu)造異常的識(shí)別，以及這些極弱構(gòu)造磁異常在平面上的延伸展布情況。我們總結(jié)獲取到高質(zhì)量數(shù)據(jù)主要緣于無人機(jī)平臺(tái)干擾小、測量精度高之外，精確測控和平穩(wěn)飛行，以及均是在夜間磁場平穩(wěn)、電磁干擾平靜時(shí)段完成測量密切相關(guān)。

6 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)與存在的不足

6.1 系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)

通過不同示范區(qū)的應(yīng)用和改進(jìn)，該無人機(jī)航空磁測系統(tǒng)的測量能力大幅提升，與傳統(tǒng)有人駕駛飛機(jī)的航磁系統(tǒng)相比，其主要具有以下3方面的優(yōu)勢：①測量效率更高效，可全天時(shí)工作，能在夜間完成高精度測量工作，可利用時(shí)間窗口更多，一定程度上解決了有人駕駛飛機(jī)只能白天作業(yè)，且飛行時(shí)間窗口受限的問題，可進(jìn)一步提高工作效率,從已知的150 000 km的應(yīng)用示范顯示，其綜合有效測量效率可達(dá)120 km/h，單架次可飛行12 h，可完成有效測線長度超1 500 km的高精度測量任務(wù);②獲取的航磁數(shù)據(jù)質(zhì)量更優(yōu)，無人機(jī)系統(tǒng)本身干擾小，系統(tǒng)靜態(tài)噪聲、磁干擾補(bǔ)償精度、動(dòng)態(tài)噪聲等指標(biāo)均由于有人駕駛的航磁系統(tǒng),并且無人機(jī)能嚴(yán)格根據(jù)計(jì)算仿真結(jié)果飛行，飛行高度、偏航結(jié)果可預(yù)期，飛行更平穩(wěn)，此方面大大優(yōu)于有人駕駛飛機(jī),另外夜間工作外界干擾小、地磁場更平穩(wěn)，能取得較白天時(shí)段測量更高的數(shù)據(jù)質(zhì)量；③安全性更高、測量成本更低，無人機(jī)駕駛的特性能最大限度的保障人員安全，可有效防止復(fù)雜地形區(qū)超低空飛行安全對(duì)飛行員造成的安全隱患,交通運(yùn)輸?shù)谋憷院褪褂贸杀镜慕?jīng)濟(jì)性等方面均大大優(yōu)于有人駕駛飛機(jī)，能有效地降低工作成本。

6.2 野外測量中存在的不足

由于彩虹-Ⅲ無人機(jī)航空磁測系統(tǒng)野外測量采用地面測控站無線電通訊控制，理論測控半徑在90 km～120 km之間，無線電通訊信號(hào)的通視距離與飛行高度成正比，飛行高度越低，控制半徑越小。通常航空物探要求超低空沿地形起伏飛行，通訊控制半徑更加受限，實(shí)際通訊距離多在50 km～70 km之間，甚至更短。而航空物探測量區(qū)域通常較大，測區(qū)跨度從幾十千米至幾百千米不等，如采用目前這種地面測控站無線電通訊控制方法，勢必只能將測區(qū)劃分為若干個(gè)子區(qū)，每個(gè)子區(qū)單獨(dú)架設(shè)野外地面控制站，或者野外同時(shí)架設(shè)多個(gè)控制站，進(jìn)行接力控制。這兩種方案無疑將大大增加野外工作的人力、物力投入，并且測量效率將受到嚴(yán)格限制，而且會(huì)造成長測線半線過多，大大增加數(shù)據(jù)處理強(qiáng)度，數(shù)據(jù)總體質(zhì)量下降，也不利于后期數(shù)據(jù)資料綜合解釋。為了從根本上解決該問題，本項(xiàng)目開展了基于海事衛(wèi)星通訊技術(shù)的無人機(jī)遠(yuǎn)程測控技術(shù)試驗(yàn)。通過安裝海事衛(wèi)星設(shè)備，并研發(fā)相應(yīng)的通訊協(xié)議模塊，使該套無人機(jī)航空磁測系統(tǒng)初步具備了海事衛(wèi)星測控能力，在測區(qū)開展了數(shù)個(gè)架次的飛行試驗(yàn)，在數(shù)據(jù)鏈路保持、超低空測控精準(zhǔn)度方面還需進(jìn)一步完善，尚不能實(shí)用化。

7 結(jié)論

彩虹-Ⅲ型無人機(jī)航空磁測系統(tǒng)是目前國內(nèi)首套開展面積應(yīng)用示范的無人機(jī)航磁系統(tǒng)，通過在不同地區(qū)開展的針對(duì)不同目的、不同強(qiáng)度的測量任務(wù)過程中，進(jìn)一步完善了系統(tǒng)集成及改進(jìn)、方法技術(shù)研究與實(shí)踐、過程操作及質(zhì)量控制等方法技術(shù)，系統(tǒng)的綜合性能得到進(jìn)一步提高，航磁數(shù)據(jù)可靠、質(zhì)量優(yōu)秀。

該系統(tǒng)的成功應(yīng)用，為國內(nèi)航空地球物理調(diào)查工作新添了一種安全、高效、靈活、經(jīng)濟(jì)的新利器。在地質(zhì)填圖及區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、成礦帶勘查、圈定含油氣有利構(gòu)造等方面可以發(fā)揮有人機(jī)航空物探系統(tǒng)相同的作用。同時(shí)，因其突出的夜航能力、運(yùn)輸便利性、高精度的測控和無人駕駛的特性，能更有效應(yīng)對(duì)航空管制、復(fù)雜地形、安全風(fēng)險(xiǎn)高等，將在新形勢下航空物探地質(zhì)勘查中發(fā)揮重要作用。