无人机在航空物探的应用研究

王志宏（核工业航测遥感中心，中核集团铀资源地球物理勘查中心（重点实验室）)

介绍了航空物探的概念及飞行平台的发展情况。结合实际工作情况，基于国产“彩虹”3无人机作为飞行平台，研究了无人机航空物探（航磁、航放）综合勘查系统，形成了一套安全系数高、工作效率高、测量质量高的实用化无人机航空物探综合测量技术，同时开展了示范应用工作，取得了好的成果，是无人机技术和航空物探技术相结合的成功典范，推动了我国无人机航空物探新兴产业的发展。

航空地球物理探测，简称航空物探，是地球物理勘探技术与航空技术相结合的一门高技术，其实质是将航空飞行器作为运载工具，装载地球物理探测仪器在空中完成地球物理信息采集，快速获取并研究地球岩石圈、特别是与地壳有关的多种地球物理场信息（如磁场、电磁场、重力场、放射性场），研究和寻找地下地质构造和矿产的一种物探方法。目前常用的航空物探方法有航空磁法、航空伽玛放射性测量、航空电磁法和航空重力测量等四类，构成对地探测技术的重要组成部分。

航空物探具有效率高、成本较低，便于大面积工作、探测深度较大等优点，是基础性和公益性地质调查、战略性矿产勘查的重要手段，是地质勘查现代化的标志之一。航空物探在国民经济建设中发挥着重要作用，可为矿产资源与油气勘查资源调查评价、海洋地质调查、地下水勘查、工程地质和环境调查、基础地质与研究、军事与国防建设提供信息和成果。

航空物探飞行平台的发展

航空物探飞行器的发展对航空物探测量工作的顺利开展并取得良好效果起到至关重要的作用。50多年来，随着航空物探测量仪器性能的不断提高、飞行器的不断发展，航空物探的机载平台也经历了固定翼飞机、直升机、无人机等多类、多种型号。

（1）固定翼平台航空物探（磁、电、放、重）

使用固定翼飞机开展各种航空物探工作是该领域最广泛也是最成熟的。固定翼飞机作为多种航空物探技术的首选飞行平台，其优势主要有具有更大的有效载荷；仪器安装及飞机改装较容易且方案多；飞行姿态稳定，飞行速度较低，适应低空飞行。不过，固定翼平台也存在着飞行高度保持难度大，必须使用固定的、条件相对较好的机场作为基地以及在针对大比例尺测量能力方面略显不足等问题。

（2）直升机平台航空物探

直升机平台的航空物探多以开展航磁测量和航空（磁、放）综合测量为主，航空电磁测量和航空（电、磁、放）综合测量也逐渐应用到实际生产中，直升机航空重力尚未出现。采用直升机作为航空物探平台的主要优点表现在具有灵活的机动性，能最大限度地控制航速、离地高度等；直升机具有低速、大角度转弯以及空中悬停等特性。这也是国内外广泛开展吊舱式时间域航空电磁法的主要考虑因素；直升机平台航空物探在作业基地的选择上较灵活；但直升机平台也存在不足之处，如整体空间小、干扰强、高频震动剧烈等，发动机、主桨及尾桨的干扰基本覆盖了整个机身，可提供的仪器安装方案少，这些不足在测量数据上表现为数据噪声较大、数据处理及调平工作量加大等。

（3）无人机平台航空物探

近年来，随着军用无人机的不断成熟，通用无人机技术也不断出现并逐渐发展成熟。由于具有重量轻、无人驾驶、耗资低等优势，无人机迅速广泛地应用到各行业当中。鉴于无人员伤亡、费用低、效率高等特点，以及可预期的高精度数据、低噪声水平、高空间分辨率的优势，无人机航空物探系统的研发与应用日益受到广大航空地球物理从业者的关注。

无人机航空物探的发展

我国的无人机航空物探研究起步于2010年，最初应用的无人机是从航模演变而来的航模型无人机，2013年开始真正进入无人机航空物探综合站的研发与应用。目前较为常见的无人机航空物探主要为航空单磁测量，无人机航空放射性测量系统的研究则较少。该类型无人机主要通过投射、弹射、滑行等方式起飞，通过拦网、伞降、滑行等方式回收，但安全回收的成功率仍然不高，这势必会造成不可预期的成本风险变高。

无人机航空物探（磁、放）勘查系统的技术要求

（1）无人机平台有效载荷要求

航空放射性测量系统探测器通常采用碘化钠（NaI）晶体、塑料晶体等，单条晶体典型尺寸为10cm×10cm×40cm，重量约17kg。通常多条晶体封装在一个绝热箱内，搭载5条晶体总重约120kg，搭载3条晶体总重约65.9kg，该系统的体积和重量都很大；航磁设备重量则相对较轻，磁探头与电子器件总重约2.65kg。因此要求无人机平台具有大的空间和载荷。

（2）无人机性能稳定性要求

由于航空物探测量设备一般为高技术设备，核心技术多掌握在国外知名地球物理公司。当代航空物探设备一般具有高分辨率、超高分辨率，大探测深度，高灵敏度、高精度性能等，因此要求无人机在起飞、飞行、降落过程中姿态稳定，取得高质量航空物探数据的同时确保测量系统性能安全。

（3）数据采集技术要求

(a) 测区踏勘，高大建筑物应提前做好标记；做好测区空域及机场的协调。

（b）早晚沿地形平坦开阔的基线进行测试飞行。

（c）沿地形起伏飞行，平均离地飞行高度控制在120m；航速控制在160～200km/h之间。

（d）提前对准测线，保持姿态进线；测线结束需保持姿态平稳出线。

无人机航空物探系统研发

依据“彩虹”3无人机性能，结合航空物探测量系统，开展了科研攻关。分别完成了航放测量系统小型化技术、无人机改装技术、航空物探远程监控技术等。

（1）无人机载荷舱空间狭小，载荷能力弱，设计了小型化主机和高度集成的晶体探测器，实现了航放测量系统的小型化。

（2）“彩虹”3无人机的最大有效载荷为160～180 kg，根据无人机的载荷和结构，设计无人机航空物探测量系统载荷舱单独安装1箱3条晶体探测器，磁探头安装在无人机左侧机翼前。

（3）根据无人机航空物探作业需求，研究了无人机航空作业远程监控技术。设计了地面监控程序，实现了无人机航放测量过程实时控制，远距离实时观测和收录数据等。

无人机航空物探系统取得的成果

通过技术攻关，完成了世界上第一套具备实际作业能力、基于无人机的航空物探（磁/放）综合勘查系统，取得如下成果：

（1）完成了“彩虹”3无人机航空物探（磁/放）综合站的改造工作，基本达到实用化水平；开展了航放、航磁气动优化、超低空飞行控制优化等工作，低空地形起伏飞行能力和复杂气象条件适应能力得到显著提高。

（2）研发了无人机航空磁法测量远程控制系统、小型化无人机航空放射性测量系统，突破了测量系统的电磁兼容、磁场补偿、放射性校准（数据处理）、自主避障和远程测控等技术难题。

（3）具备了超低空随地形起伏飞行能力，续航超过10h，单架次航程超过2000km、作业半径超过500km、测控精度优于±10m的长航时、大航程、超视距、高精度飞控能力。

（4）开创了航空物探超低空全夜航探测勘查模式。

（5）系统具备在海拔5000m高山区开展资源环境勘查工作的潜力，探索了“一站多机”测量方法，单套系统每年度可完成5万～10万测线千米的飞行测量工作量。

无人机航空物探应用

应用无人机航空物探勘查系统分别完成了黑龙江多宝山、新疆克拉玛依、塔里木盆地50架次、200飞行小时的飞行试验，创下了夜航单架次航时8h、航程1569km的飞行测量纪录。由航放测量总计数率成果对比图可知，与有人机对比，两者飞行测线方向不同，搭载晶体数量不同，但反映出该地区的放射性分布状况基本吻合，无人机测量数据能够反映出已知K异常的存在。由航磁测量成果对比图可知，从数据质量来看，与同期开展的Y12固定翼飞机航测成果相当，甚至更好，图中标注的A、B、C三处细节对比均表现出无人机航磁优于固定翼飞机测量成果。

（上左）航放测量主机实现了小型化。

（上右）航放测量总计数率成果对比图（左：无人机；右：有人机）。

（下）航磁测量成果对比图（左：无人机；右：有人机）。

未来展望

无人机航空物探之所以倍受青睐，主要是因为无人机平台具有安全性好、适应性强、经济高效、减少伤亡等优势。这种新的航测作业方式目前仅适用于开展小面积的大比例尺高精度测量工作，要开展大面积的勘查任务，尚需要在诸如障碍物自动规避、提高沿地形起伏的三维航线规划、链路通视分析、数据加密保护以及制定标准化的工作流程等方面进一步开展研究工作。随着无人机平台的发展和推广应用工作的深入，无人机航空物探测量技术必将在矿产资源勘查、环境航空调查、核应急等工作中发挥更大的作用。 ■