固定翼时间域航空电磁勘查系统研发进展

胡 平,李文杰,李军峰,孟庆敏,王绪本,陈晓东,刘莹莹

1)中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所,河北廊坊 065000;2)成都理工大学,四川成都 610059

固定翼时间域航空电磁法(Fixed-wing Airborne Time-domain Electromagnetic Methods,缩写为FTEM)具有探测深度大、测量精度高的技术特点,是我国急需的快速高效的大深度矿产勘查装备技术。自20世纪50年代末INPUT系统问世以来,固定翼时间域航空电磁法方法、硬件研发的核心技术一直为美国、加拿大、澳大利亚等少数西方发达国家所掌握。目前,国外典型在用的商用 FTEM 系统有GEOTEM、MEGATEM、TEMPEST、SPECTREM等。这些系统普遍具有发射基频低(25 Hz或30 Hz)、发射磁矩大(50×104～200×104Am2)、三分量宽带接收(10～25 kHz)、全波形数字收录等技术特点和发展趋势(史密斯等,1997;李文杰等,2007)。FTEM系统被广泛地应用于地质调查、矿产勘查、水资源调查、农业土壤检测、环境检测等领域,加拿大的斯特勒湖(Sturgeon Lake,2000万吨)中型铜锌银矿床就是由刚问世不久INPUT V系统发现的(周凤桐,1982)。迄今为止,世界范围内由时域航电系统发现的各类块状硫化矿、金矿、金刚石矿等不胜枚举。

为满足我国地质普查及矿产勘查的需求,国家高技术研究发展计划(863计划)于2007年立项并启动了固定翼时间域航空电磁勘查系统研发课题。截至2011年年底,经过近4年多的科研攻关,课题组在专用飞机改装设计、大磁矩发射、三分量宽带接收、实时全波形数据收录等核心、关键技术领域取得了突破性进展,研制成功了基于国产Y12IV型飞机,具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁系统空中样机。系统样机成功完成了半航空试验试飞,稳定性、可靠性、探测能力、性能指标得到了全面验证,填补了我国在这一领域的技术空白。研究取得的主要进展与成果如下。

1 系统设计

课题的总体任务目标是最终研制实现最大500 m勘探深度的固定翼时间域航空电磁勘查系统,实现大的探测深度是课题首要和核心任务。勘探深度与被探测地质条件、仪器装置参数、环境背景噪声等多种因素有关。为简化问题的复杂性,一般可以用均匀半空间条件下瞬变电磁场的扩散深度dZ来评价时间域电磁系统的勘探深度(Christiansen et al.,2009)。计算公式如下:

式中 σ为均匀半空间的电导率,Vnoise是仪器检测到的可信任的最小二次场响应(仪器噪声水平),N为发射线圈匝数,S是发射线圈单匝面积,I为发射电流,M=N·I·S为发射磁矩。

理论公式表明,勘探深度与磁矩的五次根成正比,与仪器噪声水平的五次根成反比。显然,增加探测深度的有效方法,要么是增大发射磁矩,要么提高信噪比,即降低仪器最小可检测噪声。根据上面的公式计算可知,探测深度增加一倍,需要将发射磁矩提高32倍,或者是将噪声减小32倍。

增加发射磁矩,同时有效降低系统噪声,是在设计和实现时域固定翼航电系统时需要始终遵循的基本指导思想。此外,大收发距、低发射基频、大发射脉宽等,都有利于实现更大的探测深度。

除上述磁矩、信噪比、系统其它主要参数等之外,对系统设计指标影响最大的因素就是飞机平台的选择。固定翼飞机平台是时域航电系统的有机组成部分,飞机的各项性能指标直接影响时域航电系统关键性能指标的设计和实现。例如,大型飞机外形尺寸大、供电量大、载重量大,可以实现更大的发射磁矩,因而探测深度也大;大飞机平台也有利于系统的升级和探测能力的扩展。但是,大飞机的低空飞行性能不好,不利于探测性能的充分发挥;且其改装设计成本、运行成本高也是轻型飞机的数倍,乃至数十倍。

限于我国航空工业相对落后,备选的飞机平台Y8四发大型飞机、Y7中型飞机和Y12IV型轻型固定翼飞机中,适合低空作业的仅有 Y12IV型飞机可用,其较低的改装、运行成本也在课题预算经费可接受范围内。

基于上述考虑,课题选用了国产Y12IV型轻型固定翼飞机作为载机,并依据Y12IV型飞机提供的改装条件,参考国外先进 FTEM 系统的技术参数及发展趋势,设计了系统性能指标并制定了实施方案(李文杰等,2008),参见表1。由表1可见,与国外同类型系统相比较,尽管Y12IV型飞机的载重量、供电量等改装条件非常有限,实现大的发射磁矩和大探测深度困难重重,但时间域系统的各项设计性能指标与国外类似系统(GEOTEM)的技术水平基本相当。

表1 课题设计指标、实现指标与国外典型时域航电系统的对比Table 1 The design indices and realized indices of the project in comparison with the typical airborne time-domain electromagnetic system abroad

2 专用飞机改装技术研究

时间域航空电磁系统改装对固定翼飞机气动外形影响巨大(如图1所示),每一项细小的改装设计都会直接影响飞机的安全及性能,类似的改装在国内航空界尚无先例。课题组基于国产Y12IV型轻型固定翼飞机,依托哈尔滨飞机制造集团飞机设计研究所、哈飞航修有限公司、中国飞龙通用航空有限公司、南京航空航天大学等研究单位及企业科研力量,开展了大量的时间域航空电磁探测系统改装后的空气动力学理论计算,试制了1:8.5时域航电飞机系统的金属模型和1:2、1:8.5、1:20等不同比例尺接收吊舱模型,进行了 400多小时的模型风洞试验,论证了Y12IV型飞机改装时间域航空电磁探测系统的可行性。在解决了飞机安定性、阻力增加、发射线圈共振、接收吊舱抛放收起等气动难题后,最终完成了改装方案设计。

在改装方案及时间域航电系统任务目标需求基础上,开展了Y12IV型时间域专用飞机的改装图纸设计、机体加强件设计加工、前撑杆金属件设计加工、后支撑尾筒、翼尖挂架、接收吊舱等特殊符合材料件设计加工等工作。发射线圈挂架可根据需要安装1～6匝发射线圈,研制了专用的紧急情况可自动切断的接收吊舱电动绞车收放系统,研制了气动平稳的水滴状接收吊舱,固定翼飞机各项改装工作进展稳定。

3 时域航电仪研制

3.1 大磁矩电磁发射技术研究

Y12IV型飞机只能提供约 5.6 kW 供电量、800 kg商载给时间域系统使用。供电量及商载仅分别为国外同类系统的约67%和57%,有限的供电量、商载,使得实现与国外系统相当的大磁矩发射异常困难(参见表1与GEOTEM系统的对比数据)。课题组查阅了大量国内外技术论文、专利等文献资料,从各种相关领域的大功率应用中汲取有益的技术信息,研发了超级电容间歇充放电、组合波发射等专利技术,攻克了大磁矩发射的技术难题。

通过电子线路仿真分析及计算,研发了组合波发射技术,解决了上升沿、下降沿及波形可控难题,实现了近似方波发射;研发了超级电容器升压供电技术,解决了大电流发射难题,实现最大 600 A峰值电流;研究了过压、过流、过热保护技术,解决了大功率长时间发射可控性、稳定性难题。发射机采用3D实体设计技术,实现了模块化组装调试,样机制造工艺水平得到保证。

研制的准谐振可控沿大磁矩发射样机,基频25 Hz脉宽3.8 ms时峰值发射电流达到600 A,峰值磁矩达到508,000 Am2,下降沿1.2 ms;发射基频有12.5 Hz、25 Hz、75 Hz,可供选择。

3.2 高灵敏度三分量接收技术研究

高灵敏度宽带三分量航空电磁感应线圈接收技术在国内是空白。课题组先后研制了数十套外形、线材、绕制方法、物理参数、电参数、静电屏蔽技术各不相同的试验性感应线圈传感器,积累了大量试验数据和经验,最终研制成功轻量化几何对称三分量正交感应线圈接收传感器,三分量物理参数及电参数基本一致;解决了电屏蔽技术及最佳阻尼匹配技术,研制的接收分系统带宽达到0～20 kHz,等效接收面积20000 m2;研制了差动放大低噪声前置放大器及长线传输驱动电路;研发了三轴动稳避振技术,解决了航空条件下接收传感器避振技术难题,有效降低了接收线圈飞行过程中振动噪声的对系统测量性能的影响。

3.3 数据收录系统研制

基于NI PXI总线架构及工业标准的PXI数据采集卡,研制成功了一套具有通用性、扩展性、性能稳定可靠的工业级数据收录系统。在LabWindows /CVI软件平台上,采用多线程技术编程,研发了实时性强、代码继承性好、易于升级及扩展功能的数据收录软件ATEMDAQ v1.0版。

数据收录系统的实时并行4通道数据采集分辨率达到24 bit,最大采样率100 kHz,可全波形记录X、Y、Z三分量二次场响应信号和发射电流波形,实时数据收录、存储速率≥4.0 GByte/Hr。该数据收录系统的各项性能初步达到与同类系统相当的技术水平。

4 方法及数据处理技术研究

研究了时间域固定翼航空电磁一维和三维数值模拟方法,采用有限差分完成了时间域固定翼航空电磁一维、三维响应规律的正演模拟,开发了时间域固定翼航空电磁一维、三维正演程序。根据模拟的波场快照,分析了时间域固定翼航空电磁场的传播特点,给出了不同模型参数的响应曲线;分析了时间域固定翼航空电磁一维、三维瞬变响应规律,为系统设计和反演解释提供理论支持。

图1 Y12IV型时间域专用飞机改装效果图Fig.1 Modific ation effects of Y121V type time-domain special aircraft

研究了时间域航空电磁数据预处理技术,包括滤波去噪处理、时间道抽取、叠加处理等。研究了小波域滤波、锥状滤波、递归滤波、均值滤波、移动平均滤波、Vondrak平滑滤波技术,以及滤除雷电噪声的组合滤波技术,开发了相应程序。针对时间域航空电磁数据叠加次数少的特点,开发了加权叠加、移动叠加、带通叠加等特殊的叠加技术,有效提高了信号噪声水平。研究了时间道抽取技术,开发了算数平均、几何平均道内叠加处理程序。基于上述研究成果,开发了ATEMDPS v1.0固定翼时间域航空电磁数据预处理程序。

开展了时间域固定翼航空电磁快速成像方法研究,实现了基于扩散深度成像的 CDI方法,完成了一维、二维模型成像算例。研究了Occam反演(毛立峰等,2008)、基于奇异值分解的阻尼最小二乘反演、自适应正则化反演、飞行高度同时校正的反演(毛立峰等,2011)等三种反演方法。开发了1.0版固定翼时间域航空电磁法资料处理与解释程序。

图2 时间域固定翼航空电磁勘查系统空中样机Fig.2 Air prototype of the time-domain fixed-wing airborne electromagnetic system

图3 发射电流波形Fig.3 Waveform of emission current

5 系统集成及半航空试飞试验

固定翼时间域航空电磁系统空中样机研发完成后,开展了地面集成调试和测试,以及发射、接收、数据收录等分系统在不同温度环境下(−5～35)℃长时间工作(≥5 h)的稳定性、可靠性试验。

为检验接收系统的工作性能,与Crone PEM地面时间域探头进行了对比试验,相同测试条件下等效噪声水平相当,响应曲线基本一致。

图4 时间域固定翼航空电磁勘查系统样机半航空试验试飞Fig.4 Trial flight for semi-airborne test of time-domain fixed-wing airborne electromagnetic exploration system prototype

成功开展了地面大磁矩发射、空中接收的偶极-偶极形式半航空试飞试验,接收、数据收录分系统在航空条件下工作可靠稳定,无仪器故障返航;接收吊舱飞行平稳,气动设计得到了验证;共飞行 7架次约12个飞行小时,取得了230 GB宝贵的试验数据。发射分系统在地面发射500,000 Am2磁矩时,接收分系统在300至600 m高度检测到了清晰的大地二次场响应信号(参见图5),300 m高度可探测到铺设在地表的短路线圈引起的人工异常。

时间域航空电磁探测系统空中样机的各项性能指标,经半航空验证满足设计要求,具备了开展固定翼全状态空中调试、性能验证试飞的能力。

6 结论

图5 实测不同高度大地二次场响应曲线Fig.5 Measured telluric secondary field response curves at different heights

课题在50×104Am2大磁矩发射、接收吊舱气动外形设计、接收吊舱避振、轻量化低噪宽带三分量感应式传感器研制、海量数据全波形实时收录、飞机改装等关键技术方面取得突破性进展,成功研制了基于国产Y12IV型专用飞机的完全自主知识产权的大勘探深度时间域固定翼航空电磁勘查系统空中样机,使我国掌握了固定翼时间域航空电磁勘查系统研发的核心技术,填补了我国在该领域的技术空白。课题共申请专利9项、软件著作权3项、发表论文 8篇,培养和锻炼了一支产学研科研队伍,为最终研制成功适合我国国情、实用的大勘探深度固定翼时间域航空电磁勘查系统奠定了坚实的基础。