引用本文
高国林, 邱崇涛, 王景丹, 沈正新, 李江坤. 无人机航放测量新技术的示范应用[J]. 物探与化探, 2016,40(6): 1131-1137.
GAO Guo-Lin, QIU Chong-Tao, WANG Jing-Dan, SHEN Zheng-Xin, LI Jiang-Kun. The applied demonstration of new drone aero-radiometric technique[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(6): 1131-1137.
Doi:10.11720/wtyht.2016.6.12  
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无人机航放测量新技术的示范应用
高国林1,2,3, 邱崇涛1,2,3, 王景丹1,2,3, 沈正新1,2,3, 李江坤1,3
1.核工业航测遥感中心,河北 石家庄 050002
2.国家核应急航空监测中心,河北 石家庄 050002
3.中核集团 铀资源地球物理勘查技术中心(重点实验室),河北 石家庄 050002

作者简介: 高国林(1979-),男,高级工程师,主要从事航空物探和环境辐射航空调查工作。E-mail:gglstorm@163.com

收稿日期: 2016-03-05
基金: 中国地质调查局“基于无人机的航空物探(电/磁/放)综合站测量技术研发与应用示范”项目(12120113099300)
摘要

基于我国首套无人机平台的航放测量系统,简要介绍了无人机航放探测原理及校准、测量、数据处理等技术;通过在新疆克拉玛依和喀什等地区开展的应用示范工作,获取了内容丰富的无人机航放测量结果;结合地质、遥感资料以及岩石放射性参数、航放异常检查结果,对区域航放特征和局部航放异常进行综合分析评价,说明了该技术在基础地质调查、放射性矿产勘查和非放射性矿产调查中的有效性;最后对比有人机和无人机的航放测量效果并进行了简单评价。

关键词: 无人机航放测量; 数据处理; 地质填图; 航放异常
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)06-1131-7 doi: 10.11720/wtyht.2016.6.12
The applied demonstration of new drone aero-radiometric technique
GAO Guo-Lin1,2,3, QIU Chong-Tao1,2,3, WANG Jing-Dan1,2,3, SHEN Zheng-Xin1,2,3, LI Jiang-Kun1,3
1.Airborne Survey and Remote Sensing Center of Nuclear Industry,Shijiazhuang 050002,China
2.China National Airborne Monitoring Center for Nuclear Emergency,Shijiazhuang 050002,China
3.CNNC Key Laboratory for Geophysical Exploration Technology Center of Uranium Resource,Shijiazhuang 050002,China
Abstract

Based on the first airborne gamma ray spectrometer on the drone in China,this paper briefly described related techniques such as principle,calibration, measurement,and data processing.Through the demonstration surveys in both Karamay and Kashi,rich results of aero radiometric survey were obtained.Combined with regional geology,remote sensing data,radioactivity characteristics of rocks and the results of ground-checking,the authors analyzed and evaluated the regional features and the local anomalies of aero-radiometric survey comprehensively.The results show that the technique is an effective method in such aspects as basic geological investigation and exploration of radioactive and non-radioactive mineral resource.Finally,the measurement technique was evaluated briefly for the drone based on the fix-wing craft.

Keyword: drone aero-radiometric survey; data processing; geological mapping; aero-radiometric anomaly

无人机(UAV或Drone)是一种由无线电遥控设备或自身程序控制装置操纵的无人驾驶飞行器, 具有用途广、成本低、无人员伤亡风险、机动性能好等特点, 在现代社会中发挥了重要作用。近十几年来, 无人机在民用领域的应用越来越广泛。英国、加拿大、美国等相继研发了无人机地球物理探测设备。加拿大Exploranium公司开发了矿业勘探和核应急探测的航空伽玛能谱仪, 美国桑迪亚国家实验室开发了“ Valley of Death” 大气取样和伽玛辐射跟踪无人机系统[1]。福岛核事故后, 日本首次使用无人机探测核电站周围的辐射水平, 2014年又开始测试新型的无人机放射性探测系统[2]。

在我国, 核工业航测遥感中心近年来自主研制了国内首套基于彩虹3(CH-3)无人机的UGRS-5型航空放射性(简称“ 航放” )测量系统[3]。该系统具有长航时、性能稳定、晶体分辨率高等特点。与有人驾驶飞机搭载的大型通用航空放射性测量系统相比, 具有系统体积小、重量轻、不受能见度限制等优点。同时, 开发了相应的无人机航放测量技术, 在基础地质调查、放射性矿产勘查、非放射性矿产地质调查等工作中已初显成效。

1 系统简介

UGRS-5航放系统由探测器、主机(含能谱仪和收录系统)以及GPS、雷达高度计、气压高度计、机外温度计等辅助部件组成(图1)。其中, 探测器可选用3条或5条航空NaI(Tl)晶体, 每条晶体体积为256 in3(4″× 4″× 16″), GPS、气压、雷达高度等数据由无人机提供。系统机载状态下实测性能参数为[4]:

图1 搭载UGRS-5航放测量系统的CH-3无人机

1)能谱数据采用256道存储, 采样频率为 1 Hz;

2)可探测能量范围200~3 060 keV, 另设3~6 MeV的宇宙射线能窗;

3)晶体分辨率小于10%, 能谱峰漂小于± 1道;

4)系统连续工作7 h, 稳定性优于± 3%;

5)能谱线性度大于0.9999, 积分非线性度小于0.5%, 微分非线性度小于3%;

6)GPS平面静态定位精度小于1 m。

目前, 将该系统搭载到CH-3上, 在地势平坦地区, 能够基本满足飞行高度120 m, 飞行速度180~200 km/h, 偏航距小于± 30 m的测量要求。

2 技术方法

受无人机载荷限制, 航放系统没有配置上探测器, 常规的能窗剥离法[5, 6, 7]不再适用。需要利用无人机航放探测源项中的其他物理规律, 重新构建数据处理流程; 然后根据测量需要, 开展修正系数的校准工作。

2.1 探测原理

以地面天然放射性核素为测量目标的航放测量, 探测源项主要包括[8]仪器自身本底、飞机本底、宇宙射线本底、大气氡以及来自地面的铀系、钍系核素以及40K。探测使用的特征伽玛射线为40K产生的1 460.8 keV、铀系核素子体214Bi产生的1 764.5 keV、钍系核素子体208Tl产生的2 614.5 keV伽玛射线[9]。大气氡的主要成分包括222Rn及其子体214Bi等核素, 航放能谱特征峰位与铀系核素基本一致, 会对地面238U的测量带来严重干扰, 也会干扰40K和总计数率的测量信息。

而对于航放测量来说, 不同能量的伽玛射线受大气的衰减, 以及地面铀系核素和大气氡的空间位置差异, 使不同源项的214Bi产生的609.3 keV和 1 764.5 keV伽玛射线在探测器中形成的计数率比值不同。基于上述原理, 可分离地面铀系核素和大气氡中的214Bi产生的计数率, 该方法称之为能谱比值法[7]。

无人机航放测量时, 除了设置常规的K、U、Th及总计数率(TC)能窗外(与IAEA推荐能窗宽度一致), 还应在609.3 keV处设置低能能窗(Lu), 以便大气氡修正使用, 各能窗宽度设置见表1。

表1 无人机航放系统能窗宽度设置
2.2 航放校准

为获取地面天然放射性核素的含量值和总计数率值, 无人机航放测量的原始数据需要进行本底修正、大气氡修正、干扰剥离修正、高度衰减修正和探测效率换算等数据处理工作。修正系数可通过高度校准、航放模型校准和动态测试带校准3项工作来获取。

高高度校准可在海上本底校准区进行, 得到宇宙射线、飞机和仪器本底修正系数。但受CH-3无人机飞行能力的限制, 需要选择距离海岸较近的机场才能开展工作。航放模型校准则是在放射性测量模型标准装置上(位于石家庄大郭村机场)进行, 最终得到剥离修正系数和部分大气氡修正系数。动态测试带校准是在黄壁庄动态测试带进行, 飞行高度选择100、120、150、180、210、240、300 m7个高度, 得到剩余的大气氡修正系数、高度衰减系数和120 m高度探测效率等数据。

2.3 航放数据采集

无人机航放数据采集内容包括:256道能谱数据、GPS、雷达高度、气压高度、温度等数据。

从以下方面最大限度提高无人机航放数据质量:①使用高分辨率NaI(Tl)晶体探测器, 将晶体总分辨率控制在10%以内, 峰漂控制在± 1道以内; ②在保证CH-3无人机飞行安全的情况下, 尽可能发挥无人机的最大性能, 使飞行高度控制在120 m左右, 测线平均飞行速度控制在200 km/h以内。

2.4 数据处理

对获取的无人机航放原始数据经滤波和能窗数据转换后, 进行本底修正、大气氡修正、剥离修正、高度衰减修正和含量换算。最终得到航放总计数率(TC)以及钾(40K)、铀(238U)、钍(232Th)的含量值。其中, 本底修正采用全谱法, 大气氡修正采用能窗比值法[7], 其他修正计算方法参考有人机规范进行[5]。

3 示范应用效果

2014年和2015年, 应用无人机航放测量技术分别在新疆克拉玛依和喀什示地区开展了测量工作。经数据预处理和统计, 测量原始数据质量均满足设计要求[3, 4, 10]。其中, 早晚测试晶体分辨率小于10%; 能谱峰漂小于± 1道; 早晚基线TC变化小于± 14%; 两区平均飞行高度分别为121.9 m、120.8 m, 小于150 m的数据占全区95%以上; 偏航距均小于± 50 m; 测线平均航速分别为191、202 km/h。

克拉玛依示范区测量比例尺1:10 000, 控制面积312.6 km2; 喀什示范区测量比例尺1:50 000, 控制面积2 514.6 km2。经数据处理, 获取的航放钾(40K)、铀(238U)、钍(232Th)含量和总计数率(TC)见图2和图3。

图2 克拉玛依示范区无人机航放测量结果
a— 总计数率(TC)等值线; b— 钾含量(40K)等值线; c— 铀含量(238U)等值线; d— 钍含量(232Th)等值线; e— 地质图

图3 喀什示范区无人机航放测量结果
a— 总计数率(TC)等值线; b— 钾含量(40K)等值线; c— 铀含量(238U)等值线; d— 钍含量(232Th)等值线; e— 地质图; f— 遥感影像

根据示范区航放特征, 结合地质、遥感资料以及岩石放射性参数测定和异常检查结果进行综合分析, 对示范区进行了地质填图和航放异常筛选, 取得了较好的应用效果。

3.1 地质概况

克拉玛依示范区位于天山— 兴蒙造山系(Ⅰ 级)东— 西准噶尔弧盆系(Ⅱ 级)西段(哈萨克斯坦板块和西伯利亚板块交接地带)唐古巴勒— 卡拉麦里复合俯冲增生杂岩带(Pz2)(Ⅲ 级)中南部地区。出露主要地层(图2e)为:下石炭统包古图组(C1b)、希贝库拉斯组(C1x)、太勒古拉组(C2t)和第四系(Q), 整体呈NE-SW向展布。侵入岩以华力西中期钾长花岗岩为主。达拉布特断裂呈东西向横贯本区, 规模巨大, 是区内重要的控岩、控矿断裂, 周围次级断裂发育。

喀什示范区位于塔里木盆地地块塔西南坳陷区喀什坳陷东南部。区内地层出露单一(图3e), 以第四系(Q)覆盖为主, 南部背斜出露上新统阿图什组(N2a)。英吉沙背斜构造呈近东西向展布在本区南部。未见资料显示有侵入岩和断裂构造的发育情况。

3.2 岩石放射性特征

使用地面GR-320伽玛能谱仪对克拉玛依示范区主要岩石放射性参数进行测定, 测量统计结果(表2)表明:① 石炭系基性火山岩、砂岩、硅质岩的核素含量均偏低; ② 华力西中期钾长花岗岩中的K、U、Th含量相对偏高, 最大值分别为3.6%、2.8× 10-6、10.4× 10-6。

表2 克拉玛依示范区岩石放射性核素参数统计

喀什示范区地层出露简单, 第四系覆盖物的放射性普遍高于新近系上新统阿图什组。其中, 阿什图组K、U、Th含量平均值分别为1.4%、2.7× 10-6、8.6× 10-6, 第四系覆盖物分别为2.0%、 3.1× 10-6、12.1× 10-6。

3.3 地质填图

3.3.1 克拉玛依地示范区

根据示范区航放特征, 结合地质资料、地面观测和岩石放射性参数, 将示范区分为北部低值区(HF-Ⅰ )、中北部偏低值区(HF-Ⅱ )、中南部偏高值区(HF-Ⅲ )和南部背景值区(HF-Ⅳ )4个部分, 各区统计结果见表3。

表3 克拉玛依示范区无人机航放结果分区统计

HF-Ⅰ 区核素含量和总计数率均较低, 沿北东向分布, 具有中间低两侧高的特征, 与出露的基性和超基性岩体(主要为达尔布特蛇绿混杂岩带)展布方向大体一致。

HF-Ⅱ 区位于达尔布特断裂北侧, 核素含量和总计数率分布均匀, 主要反映了第四系覆盖层的放射性特征。

HF-Ⅲ 区位于达尔布特断裂以南, 放射性以高值、偏高值为主, 主要反映了华力西中期钾长花岗岩(Cξ γ )的放射性特征。HF-Ⅲ 区北侧边界与岩体界线大体吻合, 而南侧边界线东段向南最大偏移 2.1 km, 西段向北最大偏移2.0 km。该区还可细分为HF-Ⅲ -1和HF-Ⅲ -2两个次级区。HF-Ⅲ -1区等值线大体呈环状, 变化较快, 高、低值相间分布。HF-Ⅲ -2区的放射性分布相对均匀, 钾含量和总计数率为偏高值, 铀、钍含量处于背景值水平。由此推断HF-Ⅲ 区的钾长花岗岩由两种岩性构成。HF-Ⅲ 区中西部有上石炭统太勒古拉组(C2t)上覆于华力西中期钾长花岗岩(Cξ γ )之上, 核素含量和总计数率均呈低值或偏低值, 与放射性参数测定结果大体一致。

HF-Ⅳ 区为正常背景值区, 反映了下石炭统包古图组(C1b)和希贝库拉斯组(C1x)的放射性特征。

HF-Ⅱ 区和HF-Ⅲ 区之间存在明显的等值线梯度密集带, 呈北东向展布, 贯穿全区, 两侧呈现出不同面貌的放射性特征, 认为是达尔布特大断裂的反映。

3.3.2 喀什地区

经统计分析, 全区航放K、U、Th含量及总计数率平均值分别为1.66%、3.31× 10-6、9.57× 10-6和609 cps。2015年开展的地面放射性参数测定工作显示, 全区K、U、Th含量平均值分别为1.80%、2.97× 10-6和10.94× 10-6。2007年核工业航测遥感中心曾在喀什地区开展过航测遥感综合调查, 第四系覆盖层中K、U、Th含量平均值为1.7%、2.95× 10-6和9.5× 10-6。由此可见, 喀什地区无人机航放测量结果与2015年地面踏勘结果、2007年地质调查结果均相近。

示范区无人机航放K、U、Th含量高低变化总体一致, 由南向北呈阶梯状变化。北部放射性分布不均, 核素含量偏高, 高值晕和低值晕相间分布, 变化较快。南部地区相对均匀, 核素含量偏低, 变化较缓。根据上述特征, 结合地面踏勘、地质、遥感(图3f)等资料, 将测区分为南部低值区(HF-Ⅰ 区)、中部背景值区(HF-Ⅱ 区)和北部偏高值区(HF-Ⅲ 区)三部分, 分区统计结果见表4。

表4 喀什示范区无人机航放结果分区统计

南部低值区(HF-Ⅰ )。除水库外, 该区航放K、U、Th含量及总计数率平均值分别为1.51%、3.03× 10-6、9.56× 10-6和550 cps。航放低值晕大体反映了英吉沙背斜出露的阿图什组(N2a)及其风化物的分布范围。南部边缘局部相对偏高值晕为昆仑山北麓山前冲积扇的反映。

中部背景值区(HF-Ⅱ )。区内航放K、U、Th含量及总计数率平均值分别为1.62%、3.36× 10-6、11.33 × 10-6和614 cps, 总体呈西高东低的特征。西部色提力乡— 萨罕乡一带为更新统(Qp), 局部放射性受地表水系影响, 总计数率和K含量相对偏高; 东部为全新统(Qh), 沙漠和盐碱地地貌, K含量偏低, 分布较均匀。U、Th含量东西差异较小, 南北向偏高值与偏低值呈相间分布。

北部偏高值区(HF-Ⅲ 区)。航放K、U、Th含量及总计数率平均值分别为1.82%、3.36× 10-6、11.45× 10-6和652 cps。区内地表水系发育, 人文活动较广, 航放高值晕与低值晕呈近东西向相间分布, 与水系和人文活动对应较好。K含量偏高值晕的范围和幅度总体呈现北高南低的格局, 而U、Th含量则呈现南高北低的趋势。

3.4 局部航放异常

根据无人机航放测量结果, 在克拉玛依示范区筛选航放异常12个, 在喀什示范区筛选异常7个。其中克拉玛依示范区的HF02号异常和喀什示范区的HF04号异常具有较好的代表性。

3.4.1 克拉玛依HF02号异常

异常位于乌雪特乡东偏北约7 km处, 为戈壁草原地貌, 相对高差20~30 m, 异常北侧地形切割较深。呈北东向展布, 长约2 000 m, 宽约500 m。有3条测线有异常反映, K、U、Th含量和总计数率最大值分别为4.0%、5.6× 10-6、17.5× 10-6和1 787.7 cps, U、Th呈尖峰状, K和总计数率偏高(图4)。周围K、U、Th含量背景值为2.2%、1.7× 10-6、6.2× 10-6, 异常最大值是背景值的1.8~3.2倍。

图4 克拉玛依HF02异常无人机航放测量剖面

地面异常检查测得K、U、Th含量分别在4.5~6.0%、4.5~6.2× 10-6、25~31× 10-6之间。异常产于华力西期粗粒钾长花岗岩( γ43b)的岩脉内, 钾长石化、硅化、红化、绿泥石化等蚀变明显, 认为是花岗岩中钍含量偏高引起。

3.4.2 喀什HF04号异常

位于示范区北部, 地势平坦, 主要为第四系覆盖。测线南北两侧均为农田(棉花或玉米), 中部为裸露区(干涸的河道), 地表为第四系灰白色泥砂、细砂等冲积物。异常呈北东向展布, 长约1 100 m, 宽约200 m。有2条测线有异常反映, K、U、Th和总计数率最大值分别为2.1%、5.1× 10-6、13.6× 10-6和796.5 cps, 为单峰铀异常(图5)。周围U含量背景值为3.4× 10-6, 异常最大值是背景值的1.5倍。

图5 喀什示范区HF04号异常无人机航放剖面

地面异常检查布置2条测线, 测线方向与航放测线一致, 线距100 m。其中HF0401线位于航放测线正下方。实测剖面显示(图6), U含量背景值为3.36× 10-6。HF0401线为双峰铀异常, U含量最大值6.4× 10-6, U含量和总计数率也有异常反映。HF0402线显示为单点铀异常, 最大值5.3× 10-6, K、Th含量和总计数率异常较明显。空、地测量结果基本一致。

图6 喀什示范区HF04号异常地面放射性测量剖面
a— HF0401线; b— HF0402线

检查时还发现, HF0401线和HF0402线之间(两线平距约490 m)有人为挖掘的深坑。在坑内北侧测得U含量为13.2× 10-6, Th钍含量为92.4× 10-6, 钾含量为2.6%, 在坑南侧测得U含量为6.2× 10-6, Th含量为34.9× 10-6, K含量为2.7%。而地表附近测得的铀含量为4.5× 10-6, Th含量为24.0× 10-6, K含量为2.3%。

该异常区地表覆盖物为灰白色细砂, 在坑内深部的细砂中还发现了丰富的黑色有机质炭屑, 属还原性地质化学环境。坑内U、Th含量是坑外地表测量值的数倍(其中U含量为坑外的2.93倍, Th含量为3.85倍), 分析认为该异常是在干旱气候条件下, 地表水蒸发浓缩、砂体中有机质吸附作用形成的放射性异常, 推断该处具有深部找矿条件。

4 与有人机航放系统的对比

以运12固定翼飞机航放测量为例, 对无人机航放测量技术进行比较(表5)。结果可以看出, 无人机航放测量技术在晶体体积、飞行速度、飞行高度等方面存在明显不足, 理论上测量效果不及固定翼飞机。但其较轻外壳材质、较大的单条晶体计数率、不同的数据处理方法、较高的安全性和较长的作业时间, 使其在地形有利地区具有独特优势。

表5 固定翼飞机与无人机航放测量的差异

由于航空放射性测量易受气象因素、植被、土壤湿度等因素影响, 很难根据以往数据的比较给出具体结果, 因此国际上一般采用现场比对的方式开展对比分析。但受研究条件限制, 本次示范应用研究未能开展此项工作。

5 结论

应用我国首套基于CH-3无人机的航放测量新技术, 在新疆克拉玛依和喀什地区进行了无人机航放测量, 结果显示出了较丰富的放射性地质信息。

①该技术可用于圈定具有放射性差异的岩体边界, 在基础地质填图、构造解释等基础地质调查中发挥一定作用。②无人机航放测量结果圈定的航放异常, 可用于放射性矿产勘查或非放射性矿产调查工作。③受无人机平台载荷限制, 当前的无人机航放

测量技术还无法在地形复杂的山区开展工作, 理论探测能力不及大型有人机航放系统。

利用无人机平台开展航放测量工作虽已初步显现出效果, 但开展的应用工作偏少, 也没有与有人机航放系统进行比对。随着无人机平台的发展和推广应用工作的深入, 无人机航放测量技术必将在航空物探、环境辐射航空调查、核应急等工作中发挥更大的作用。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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