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一、無人機(jī)低空航磁測量產(chǎn)業(yè)概述
(一)無人機(jī)低空航磁測量技術(shù)概述
航空磁力測量,又稱航空磁測,是航空物探領(lǐng)域中使用最早、應(yīng)用最廣的一種磁測方法。該磁測方式最早可以追溯到第二次世界大戰(zhàn)期間,是由于水下反潛需要而發(fā)展起來的一種技術(shù),戰(zhàn)后被應(yīng)用于石油、天然氣以及其它礦產(chǎn)勘探;航空磁測將磁傳感器及其配套的輔助設(shè)備裝載在飛行器上,通過探測由地下礦體磁性差異引起的磁異常,實(shí)現(xiàn)對石油、天然氣等礦產(chǎn)資源的快速普查,在資源勘探和地球科學(xué)研究工作中發(fā)揮著重要作用,在軍事國防領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。
無人機(jī)(UAV)是一種有動力、可遙控和回收的飛行器,它能攜帶多種儀器設(shè)備和執(zhí)行多種任務(wù)。無人機(jī)航空物探測量系統(tǒng)具有小型化、智能化、重量輕、尺寸小、費(fèi)用低、續(xù)航能力強(qiáng)等特點(diǎn),便于運(yùn)輸和使用,而且其機(jī)動性高,能在復(fù)雜地形區(qū)進(jìn)行測量,并可以保持較低的飛行高度,目前已受到世界航空地球物理公司的廣泛關(guān)注。
(二)無人機(jī)低空航磁測量產(chǎn)業(yè)特征分析
時至今日,航空磁測已有70余年的發(fā)展歷程。最初時期,航空磁測主要使用感應(yīng)式磁力儀或磁通門磁力儀測量地磁總場強(qiáng)度(TotalMagneticIntensity,TMI)。后來為了消除區(qū)域磁場和隨時間變化磁場的影響,提高磁測精度,研究發(fā)展了磁梯度測量,即利用光泵磁力儀測量地磁場模量的水平和垂直梯度。20世紀(jì)90年代中期以后,歐美等西方航空物探強(qiáng)國開始將注意力聚焦于航磁矢量測量。此后,航磁矢量測量相關(guān)理論技術(shù)得到了快速發(fā)展。縱觀整個航空磁測發(fā)展史,其發(fā)展歷程可分為三個階段,如下表1.1.2-1所示:
表1.1.2-1
航空磁測的發(fā)展經(jīng)歷了由傳統(tǒng)的單一TMI測量到后來的TMI梯度測量,再演化為現(xiàn)在的磁矢量測量的過程。航空測磁的總體發(fā)展趨勢由單一標(biāo)量磁測對象轉(zhuǎn)向多信息的矢量場或多參量測量,而三分量磁測即為當(dāng)前航空磁測發(fā)展的主要方向之一。
而磁力儀作為航空磁測的心臟,其重要作用不言而喻,目前主要使用的航空磁測磁力儀為磁通門磁力儀、質(zhì)子磁力儀(核子旋進(jìn)磁力儀,歐弗豪澤效應(yīng)磁力儀)、光泵磁力儀(電子旋進(jìn)磁力儀)、超導(dǎo)量子磁力儀、原子磁力儀。高端的磁力儀已經(jīng)被美國、加拿大、澳大利亞等技術(shù)發(fā)達(dá)國家列為軍事裝備,禁止對外出口,技術(shù)壁壘高度可想而知。為了充分發(fā)揮高精度測量儀器的作用,近幾年來,各大地球物理測量公司都加強(qiáng)了相應(yīng)的高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)及處理軟件的開發(fā)力度。
航空磁測飛行器載體的選取需要綜合考慮以下幾點(diǎn)因素:安全性、使用便捷性、成本以及負(fù)載續(xù)航能力。如表1.1.2-2列出了上述幾種飛行器載體使用對比情況,從圖中可以看出,固定翼飛機(jī)及旋翼直升機(jī)等有人機(jī)在負(fù)載和續(xù)航能力上較為突出,但該類飛行器對后勤保障有較高的要求,使用維護(hù)費(fèi)用較高。相對而言,無人機(jī)可以通過地面遠(yuǎn)程操控,使用時更具靈活性。此外,地下礦體引起的磁異常隨空間距離衰減較為嚴(yán)重,有人機(jī)飛行時需要保持一定的安全飛行高度,這無疑增加了磁異常探測難度。無人機(jī)可以根據(jù)預(yù)設(shè)的飛行路線進(jìn)行超低空飛行。相比有人機(jī),無人機(jī)載體具有智能化、成本低、安全性能高以及使用便捷等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)高海拔、遠(yuǎn)洋等復(fù)雜區(qū)域測量。因此,基于無人機(jī)平臺的航磁測量為一個重要發(fā)展趨勢。
表1.1.2-2
在測量定位方面,衛(wèi)星定位系統(tǒng)不積累誤差,適合長時間的定位任務(wù),但是在短時間內(nèi)的定位精度不及先進(jìn)的慣導(dǎo)系統(tǒng)。較大尺度的航空磁測通常使用衛(wèi)星定位,而小尺度的磁測任務(wù)則多采用衛(wèi)星/慣導(dǎo)組合導(dǎo)航的方案。
航磁補(bǔ)償技術(shù)經(jīng)歷了長時間的發(fā)展,從最初的“硬補(bǔ)償”逐漸演化到現(xiàn)今的“軟補(bǔ)償”。硬補(bǔ)償通過在傳感器附近添加磁性源來抵消航磁干擾。固有磁場干擾可以用一個通有直流電的線圈來補(bǔ)償;感應(yīng)磁場干擾可以通過附加高磁導(dǎo)率材料大致去除;而渦流磁場干擾可以用一個閉合線圈來模擬。載體產(chǎn)生的干擾取決于飛行平臺的類型和傳感器的安裝位置,因此硬補(bǔ)償在每次飛行前都要進(jìn)行大量的實(shí)地測量和調(diào)試,操作復(fù)雜,精度卻較低,故而逐漸被軟補(bǔ)償方法取代。
航空磁力測量屬于高精尖技術(shù),美國Geometrics公司推出的G-824A型航空銫磁力儀及以后的型號,主要技術(shù)指標(biāo):測量范圍為20,000~100,000nT;靈敏度<0.3pT/√HzRMS,采樣率為50Hz時90%的讀數(shù)落在0.01nTP-P包絡(luò)內(nèi),采樣率為1000Hz時90%的讀數(shù)落在0.1nTP-P包絡(luò)內(nèi);采樣率達(dá)1000Hz;方位誤差為±0.15nT;絕對準(zhǔn)確度<3nT。需要得到美國出口許可才可以購買,世界上目前有能力進(jìn)行研發(fā)的只有中國以及美國、加拿大、澳大利亞、德國、日本、英國、法國、俄羅斯等一小部分發(fā)達(dá)國家,其余國家均需上述國家提供技術(shù)支持才能開展相關(guān)工作,但由于部分跨國能源壟斷企業(yè)(例如BHP比斯頓公司、淡水河谷公司等)進(jìn)行全球探礦工作,促進(jìn)了全球航磁測量產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。