AS350 B3飞机航磁测量前支杆方式仪器安装位置的探讨

卢俊丰，纪福山，杨 望，刘 浩，郭 喆，李正富，李丰年

(中国冶金地质总局 地球物理勘查院，保定 071051)

0 引言

随着我国航空物探业的蓬勃发展，不同地域、不同地形对飞机的机型有不同的要求。固定翼飞机用来做航空物探飞行，安装技术已经比较成熟。无论是大翼尖安装方式还是尾锥的安装方式，磁探头距离飞机机身及发动机都比较远，所以对磁探头的影响都比较小，而且对飞机的姿态测定也比较容易，补偿难度不是很大。对于旋翼飞机来讲，以往航空物探作业中较常采用的是吊挂探头的安装方式，而这种安装方式在地形切割较严重，高差较大的高山区又有很大的安全隐患，所以在这种地区较常采用前支杆方式。在国内，AS350 B3飞机前支杆安装探头的方式，探杆的长度没有数据可参考，仪器的安装位置无资料可查，只能借鉴 国外的一些安装图片[1]。在这种情况下，本着严谨的科学态度，同时也为了更好地指导生产，探索AS350 B3飞机合适的安装方式，我院航空物探人员进行了一系列的实验，获得了大量的科学研究数据，在实践中取得了良好的效果。

1 干扰源分析

1．1 直升机旋翼干扰场

AS350 B3直升机旋翼是由特殊的复合材料制作的，本身不具有磁性，在每条旋翼的侧边，都有一条用于加固的金属条，本身亦无磁性，但在旋翼转动时，由于切割地球磁力线而产生感应场，此干扰场的产生势必影响磁探头对地磁场的测量。为此，磁探头的安装位置必须远离旋翼感应场的影响范围。

1.2 直升机恒场和涡流场

飞机本身是个金属体，在地磁场的影响下势必产生恒场和涡流场。因飞机一经改装后各个部件位置相对固定，不允许在飞机上再增加金属体，这样恒场才能固定。飞机产生的涡流场相对较小，磁探头远离飞机一定距离后影响相对亦较小。二者施加在磁探头影响的具体数值，需在试验中进行精确测量获得。

1.3 磁探头抖动影响

磁探头安装在前支杆上，由于发动机的震动、飞机动作和风速变化的影响，支杆势必发生抖动，而探杆的抖动是磁噪声增加的主要原因。所以在实际工作中要采取必要的加固措施，尽量减少探杆的抖动。

2 工作实施及数据分析

选定一个磁场平静，周边障碍物少的地方作为实验场地。本次选定的AS350 B3直升飞机隶属首航直升机公司，实验仪器为加拿大PICO公司生产的2MNSD-N型智能多传感器磁力仪，仪器采样率为10次/s，分辨率为0.000 2 nT。

为了去掉测试中日变的影响，在磁场平静区设立日变站，以消除日变影响，保证测试数据的准确性。日变站使用的仪器型号为PGIS-HSMAG单光系铯光泵磁力仪，该仪器带有GPS同步系统，采样率为10次/s。

测试工作分几步进行：

1)选定一块磁场平静区，沿一条直线布设测点并标号(本次布设的直线选定北东30°方向，1点为起点，如：1、 2、3…依次类推，共设10个测试点位)，每个点之间的距离是1 m，同时逐点测定点位所在位置的磁场值，作为背景值。地面背景场值如图1所示。

图1 地面背景场值Fig．1 The ground background field value

需要说明的是以上背景场地的选择由于受交通和航空器进出的限制，选择绝对平静的场地非常困难，经多次测量选择，最终选定本实验场地，虽背景场不是非常平静，但每点5min变化率小于0.08 nT，较恒定，作为背景值对实验数据影响不大。

2)将飞机推到事先布设好的测线上(飞机探杆处于布设测线的正上方，驾驶员座椅中心位于1号点正上方)，在飞机静止状态下，测定磁探头在不同测点位置时的磁场值，目的是测定有飞机存在时磁场值的变化，即飞机本身对磁探头的影响值。点位布设及飞机位置如图2所示。

图2 点位布设及飞机位置Fig．2 Position and aircraft position

测定不同点位磁场值时，探头高度不变，探头高度要求与探杆离地高度相同，本次探头中心点离地高度设定为46 cm (图3)。

图3 探头在点位上实测图Fig．3 Probe the measured figure on the point

所有工作做完后，得出了磁探头在不同位置时的测量曲线(图4)。

图4 不同测点磁场变化曲线图Fig．4 Different measuring point magnetic field change curve

图4是有飞机但飞机没有工作的时候，飞机对各个点的磁场值影响曲线，每个点连续测量1 min，最终各点的测定值为1 min内测定数据减去日变影响后的平均值。

在以上测定工作结束后，我们得出了飞机不发动时对各个测点的影响变化关系。

在以上工作结束后，将飞机发动，保持匀转速，做了7个不同动作的测试，分别是①螺旋桨平转；②螺旋桨变矩3°；③螺旋桨变矩5°；④螺旋桨保持变矩5°不变，向前变角5°；⑤螺旋桨保持变矩5°不变，向后变角5°；⑥螺旋桨保持变矩5°不变，向左变角5°；⑦螺旋桨保持变矩5°不变，向右变角5°。做完这些动作，做日变改正处理后，画出以下七条曲线(图5～图11的横坐标是地面上事先设定好的10个点位，纵坐标是经过日变改正后，各测点的实测磁数据减去地面背景场值后的差值)。

图5 不同测点磁场值变化曲线(动作1)Fig．5 The curves of different magnetic field action value

图6 不同测点磁场值变化曲线(动作2)Fig．6 The curves of different magnetic field action value

图7 不同测点磁场值变化曲线(动作3)Fig．7 The curves of different magnetic field action value

图8 不同测点磁场值变化曲线(动作4)Fig．8 The curves of different magnetic field action value

图9 不同测点磁场值变化曲线(动作5)Fig．9 The curves of different magnetic field action value(action5)

图10 不同测点磁场值变化曲线(动作6)Fig．10 The curves of different magnetic field action value

图11 不同测点磁场值变化曲线(动作7)Fig．11 The curves of different magnetic field action value

以上数据是每个测点连续测量2 min，取2 min观测数据的平均值作为测定值。

从图5～图11可以看出，飞机依次做以上动作时，不同动作对探头的影响差别不大，飞机对探头的影响随探头与飞机距离的增加而逐渐减小，在4点处以后变化幅度明显变缓，探头放在7点以后，飞机对探头的磁干扰影响每远离1m磁场变化差别不是很大，并且在7点以后，影响值减小到2 nT以内，8点以后则减小到1 nT以内。

接下来再探讨一下噪声的影响因素。在野外工作实践中，噪声水平高低是衡量数据质量的一个重要标准[7]，要想知道探头在这个位置受飞机影响的噪声大小，就要对数据进行具体分析，测定飞机对磁探头的干扰值，为此我们截取了各个阶段的数据进行了分析，将每个测点上飞机做7个连续动作时所得的数据画出磁数据曲线(图12～图15),只列出1号、2号、7号、8号四个点的曲线，其他点曲线具有相似性。

图12 飞机动作磁数据曲线(1号点)方波幅值为300 nTFig．12 Different point magnetic disturbance data curve

图13 飞机动作磁数据曲线(2号点)方波幅值为30 nT，抖动幅值为12 nTFig．13 Different point magnetic disturbance data curve

图14 飞机动作磁数据曲线(7号点)方波幅值为1.1 nT，抖动幅值为0.35 nTFig．14 Different point magnetic disturbance data curve

图15 飞机动作磁数据曲线(8号点)方波幅值为0.8 nT，抖动幅值为0.18 nTFig．15 Different point magnetic disturbance data curve

从图12～图15可以看出,直升机发动机及螺旋桨对磁数据的影响主要为两个部分；

1)发动转动造成的低频干扰方波，周期为78秒，方波幅值随探头远离发动机而减小，由1号点测到的300 nT到8号点，幅值衰减为0.8 nT。

2)由螺旋桨转动造成的干扰波可视为高频干扰，附加在低频干扰波上波动，周期为1 s，这个波动的幅值也是随探头远离飞机而减小的。由1号点测定的15 nT到8号点时衰减为0.18 nT。

将10个点上连续测量的磁测数据做动态四阶差分运算并统计如图16所示。

由图16可以看出，探头噪声在4点以后明显变小，7点后比较稳定，这说明探头放在7点以后都是可取的，而在8点以后位置尤为可靠，噪声水平比较稳定，平均值在0.06 nT左右。

为了解决探杆的抖动问题，我院结合国外探杆的制作经验，采用多种复合材料定做了探杆，增强了探杆的硬度，同时又安装了支架，对探杆进行了必要的加固和防抖处理，这在一定程度上减小了探杆的抖动，有效地提升了数据采集的质量。

图16 四阶差分统计图Fig．16 Fourth-order difference statistical figure

图17 前支杆固定支架Fig．17 The strut support

以上加固措施是实践中逐步摸索出来的，经过了几次的改进，反复运用了多种材料进行测试，最后又在细节处做了处理，才最终得以完成。

3 实践检验结果

在所有工作做完后，进行了效果测试，选取2条测线和1条切割线，分别进行了不同方向和同一条线的同向、反向实测(表1、图18～图19)。

表1 实测曲线噪声统计表

从图18～图19、表1可以看出，补偿后，曲线平滑，抖动小，同向和反向重复线重复性很好，动态噪声水平亦完全满足一级资料的要求。

图18 测线实测剖面图Fig．18 Line the measured profile

图19 切割线实测剖面图Fig．19 Tie line the measured profile

4 结论

通过以上试验的数据结果看，磁探头测得的数据在4点位置以后，飞机旋翼和机体本身对磁探头的影响逐渐变小，这是因为旋翼翼尖的位置在4点的正上方，在4点以后，磁探头逐渐脱离了旋翼和飞机的影响，干扰值随着距离的增加而迅速衰减(距离的立方关系衰减)，干扰幅值逐渐变缓，在7点以后干扰值减小到2 nT以内，在8点后干扰值则减小到了1 nT以内。从实际飞行取得的实际测量数据看，数据质量可靠，资料达到和超过了一级资料水平。这说明探头只要放在7点以后是可靠的，越远离发动机越好。也就是说，探杆的长度越长越好，但就像前面分析的一样，探杆的加长势必会增加探杆的抖动度，既使采取一定的加固措施，也不可能无限度地加长探杆，而探杆的抖动是噪声增加的主要原因，结合多方面因素考虑，最终确定探头放在8点位置上。同时三分量探头放在离8点1 m～1.5 m的地方，既不影响光泵探头探测的数据质量，又能反映飞机的姿态变化。

参考文献：

[1] AMINE, D. G. HODGES. Airborne Electromagnetic Systems and Their Engineering and Environmental Applications[J]. SAGEEP ，2010，23: 138-144 .

[2] 林君,王言章,刘长胜.高端地球物理仪器研究及我国产业化现状[A].中国仪器仪表学术、产业大会(论文集2)[C].2010年.

[3] 王卫平, 王守坦.直升机载频率域电磁系统在我国环境和工程勘查中的应用前景[J].铀矿地质, 2005 (05): 306-309.

[4] 唐列娟,殷恭维,林钢.磁通门磁力计测地磁研究[J].传感器与微系统,2006(10):

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[7] 李军峰.固定翼频率域航空电磁系统测量技术研究[D].北京:中国地质大学,2010.

[8] 刘百红.高精度磁测资料处理与反演方法研究[D].成都：成都理工大学，2004.