引用本文
安战锋, 王平, 段树岭, 刘浩军, 王金龙, 夏玲燕, 王鑫, 董丽娜, 杨怡. 国产航磁全轴梯度勘查系统试验测量[J]. 物探与化探, 2016,40(2): 370-373.
AN Zhan-Feng, WANG Ping, DUAN Shu-Ling, LIU Hao-Jun, WANG Jin-Long, XIA Lin-Yan, WANG Xin, DONG Li-Na, YANG Yi. The trial measurement of the Chinese-made tri-axial aeromagnetic gradient system[J]. Geophysical and Geochemical Exploration, 2016,40(2): 370-373.
Doi:10.11720/wtyht.2016.2.22  
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国产航磁全轴梯度勘查系统试验测量
安战锋, 王平, 段树岭, 刘浩军, 王金龙, 夏玲燕, 王鑫, 董丽娜, 杨怡
中国国土资源航空物探遥感中心,北京 100083

作者简介: 安战锋(1971-),男,硕士研究生,测绘工程专业。E-mail:agrsan@126.com

收稿日期: 2015-07-15
基金: 国家高技术研究发展计划(“863”计划)项目(2006AA06A201)
摘要

2009年7月,“全数字化矢量航磁勘查系统研发”课题组在哈尔滨平房机场对航磁全轴梯度勘查系统样机实施系统试验测试及试验测量,先后进行了飞机改装、系统集成测试、补偿飞行及约5 000 km的试验测量飞行,取得了良好的效果,表明该系统样机性能稳定可靠,初步达到实用化程度,实验工作为今后系统的改进与完善提供了依据。

关键词: 航磁全轴梯度系统; 飞机改装; 补偿; 实用化
中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1000-8918(2016)02-0370-04 doi: 10.11720/wtyht.2016.2.22
The trial measurement of the Chinese-made tri-axial aeromagnetic gradient system
AN Zhan-Feng, WANG Ping, DUAN Shu-Ling, LIU Hao-Jun, WANG Jin-Long, XIA Lin-Yan, WANG Xin, DONG Li-Na, YANG Yi
China Aero Geophysical Survey and Remote Sensing Center for Land and Resources,Beijing 100083,China
Abstract

In July 2009,in Harbin Pingfang airport.The research group of "Research and Development of the Digital Vector Aeromagnetic Exploration System" carried out a series of experiments using the model machine of tri-axial aeromagnetic gradiometer exploration system,which includes the modification of aircraft,compensation flight and exploration flight of 5 000 km.All of the work achieved good results and showed that the system was stable,reliable and reached practical level.The experimental work provides the basis for the improvement and perfection of the system.

Keyword: tri-axial aeromagnetic gradient system; aircraft modifications; compensation; practicality

依托“ 十一五” 国家“ 863” 计划重大项目“ 航空地球物探勘查技术系统” 课题“ 全数字化矢量航磁勘查系统研发” , 中国国土资源航空物探遥感中心自主研发了一套新的航空物探勘查系统:数字式航磁全轴梯度勘查系统。该系统于2009年上半年完成样机研制, 已通过系统集成、飞机改装测试、试验测量等工作, 并全面掌握了系统性能, 为今后开展实用性航磁全轴梯度勘查飞行奠定了良好基础。

1 飞机改装与系统集成
1.1 飞机改装

在飞机上安装各种航空物探方法所需仪器之前, 首先需要进行飞机改装。改装后的飞机, 既要满足工作方法的要求, 又要保证飞机性能和飞行安全[1, 2]。

本次航磁全轴梯度勘查系统飞机改装选择Y-12飞机为载体, 主要改装包括:①在飞机的两翼及尾部加装4个磁探头; ②在机舱内部安装全轴梯度仪、补偿收录系统、姿态仪等设备; ③在飞机机舱顶部安装GPS导航定位仪天线, 在机腹安装高度计。

根据航磁全轴梯度测量原理, 磁探头的安装要求两翼探头间的连线、上下探头间的连线, 以及飞机的纵轴要相互正交, 飞机平飞状态时左、右、下探头要处于同一水平面上。该项改装难度较大, 要求较高, 改装精度将直接影响最终的测量效果。因此, 要求探头安装位置既要磁干扰小, 能够达到梯度测量的目的, 又要求各探头间满足一定的几何分布关系, 还要尽量减少对飞机的重心和气动性能产生影响。此外, 尾部支撑结构与飞机连接应有足够的刚度, 所有部件采用无磁材料制成.图1为梯度系统磁探头安装示意。

图1 梯度系统磁探头安装示意(90° 方向)

对改装后的飞机系统进行了测量, 左、右探头之间的实测距离为22.14 m, 上、下探头相距2 m。左、右探头距离下探头之间的距离分别为17.02 m和17.04 m。

图2 系统集成后机舱内的航磁全轴梯度勘查系统机柜

1.2 系统集成

航磁梯度勘查系统分为水平梯度、垂直梯度和全轴梯度系统[7], 在反应地质体构造、地质体边界上具有优势[8]。

航磁梯度勘查系统由数字式氦光泵航磁全轴梯度仪、空中数字补偿及收录系统、地面磁日变观测系统、数据处理计算机等组成, 配以姿态仪、GPS导航定位系统、高度仪等辅助设备。

飞机改装完成后, 需要将该系统集成安装至飞机, 并进行线缆铺设, 最后经过系统地面静态测试及飞机开车试验, 观察在地面静态状态下以及在飞机发电机供电和震动环境下各种仪器和数据是否正常[2]。

2 系统试验测量
2.1 系统补偿飞行

飞机磁补偿技术和定位精度的提高, 为航磁梯度数据质量的提高奠定了基础[6]。航空磁测过程中, 飞机的固有剩余磁场(恒定场)和外界磁场磁化产生的感应磁场以及在飞行过程中产生的涡流磁场会叠加在地磁场中, 对磁探仪产生较大干扰, 影响磁场测量精度。需要通过专门的补偿飞行, 对特定飞机的干扰磁场进行标定, 才能够把叠加在地磁场上的干扰消除掉, 得到真正的地磁场数值, 标定过程需要在正常航磁梯度测线飞行之前进行, 称之为补偿飞行。如何使航磁全轴勘查系统免受飞机磁场的影响, 是获得高精度航磁梯度测量数据的一个关键问题。

图3 补偿飞行路径示意

恒定场是由飞机内铁磁性物体的剩余磁化产生的。无论飞机处于何种姿态该磁场的量值及方向, 相对于飞机都是不变的。但由于测量过程中飞机姿态的变化, 使恒定磁场在探头处叠加到地磁场上的量发生了变化。

感应场是由飞机内铁磁性物体受地磁场磁化产生的, 该磁场的大小及方向随飞机姿态和地磁场的变化而变化。感应磁场主要是由飞机发动机、起落架、钢梁等由软磁性材料所组成的器件产生的。

涡流场是由飞机机身、机翼等大的金属片或环状金属结构等良导体切割地磁场时生成的涡旋电流产生的。涡流场的量值、方向与地磁场梯度以及飞机飞行时加速度的大小有关 [1, 3, 4, 5]。

本次补偿飞行安排在哈尔滨平房机场附近, 选择地磁场平静的地区高空进行, 补偿航线为一个正方形, 边长约20.0 km, 4个边的飞行方向分别为0° 、 90° 、 180° 、 270° , 飞机依次沿4个边飞行, 每个边上分别作若干次侧滚、俯仰、侧滑姿态动作, 通过姿态仪和磁力仪将姿态数据和与之对应的磁场变化测量出来, 然后送到补偿仪解算出补偿系数并存储。

航磁梯度补偿以补偿后各道磁场标准差σ c评价补偿效果, 要求任意一道满足σ c< 0.08 nT, 同时辅以改善率IR说明补偿效果:

IR=σμσc, (1)

其中, σ μ 和σ c分别为补偿前、后磁场的标准差。

2.2 补偿结果

根据实测补偿数据计算, 航磁全轴梯度勘查系统的各道补偿结果如表1所示。由表1可见, 全轴梯度勘查系统的4个通道补偿结果都达到了σ c< 0.08 nT的指标。这一结果表明, 系统集成及飞机改装满足技术要求, 可以开展进一步的航磁梯度测线测量飞行。

表1 全轴梯度勘查系统补偿飞行结果

图4为补偿飞行中0° 方向飞行时在记录纸卷上的原始曲线。曲线真实记录了从下探头到垂直梯度的7个通道的磁场变化。在每一个通道中, 都有两条记录曲线, 其中起伏变化较大的为补偿前曲线、相对平滑的为补偿后曲线, 从模拟记录可以明显看出, 补偿效果非常明显, 可见补偿仪具有良好的磁补偿能力。

图4 补偿飞行中0° 方向飞行时记录纸卷上的原始曲线

在正常的测线飞行中, 当姿态仪探测到飞机出现姿态变化时, 补偿仪会自动计算出该姿态相对应的磁干扰值, 将干扰值从磁力仪数据中减去, 便可获得消除了干扰的地磁场, 完成实时补偿。

2.3 系统试验测量

选择平房机场附近为实验区, 区内含有平原、丘陵、山地等各种地形, 便于了解系统各种地形条件下对磁(梯度)异常的影响。根据该区以往的航磁测量异常显示, 区内既有变化平缓磁场, 又含各种形态的磁异常, 以便于检验系统的噪声水平、异常分辨能力等, 并且可以与以往的航磁测量结果进行比较。

实验区面积671.51 km2 , 测量比例尺1:20 000 , 平均离地飞行高度200 m, 测线方向0° ~180° , 实际完成测线飞行4 671 km。全部数据经动态四阶差分噪声统计, 横向梯度四阶差分噪声0.86 pT/m, 、纵向梯度四阶差分噪声1.56 pT/m, 垂向梯度四阶差分噪声9.54 pT/m, 航磁总场四阶差分噪声24.21 pT。统计结果表明, 研制的航磁全轴梯度系统满足预期设计要求, 系统动态噪声水平优于设计指标。

图5为试验区航磁总场与垂向梯度剖面, 从异常形态来看, 相对于航磁总场数据, 实测的梯度数据提供的异常信息更丰富、清晰, 更能突出浅部异常, 较好地反映地质体边界, 从而减少单独利用总场数据解释时所带来的多解性问题。

图5 试验区航磁总场(左)与垂向梯度剖面对比(右)

3 结论

成功研发的我国首套数字式航磁梯度勘查系统, 通过在哈尔滨的飞机改装、系统集成、静动态测试和最终的约5 000 km的试验飞行, 取得了宝贵的测试数据。试验结果表明, 该套系统能够实现航磁总场、水平梯度和垂向梯度的同步测量, 研制的航磁全轴梯度系统满足预期设计要求, 并达到了实用化的目标, 为今后开展高精度航磁梯度测量打下了基础。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献
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