0 引言
前人对于航空物探测量影响因素做过很多研究及探讨:鄂国庆等[4]、崔志强等[5]、王金龙等[6]针对不同机型搭载不同航空物探设备的优劣势进行了对比;李健等[7]阐明了直升机起降点对于航空物探测量的重要性;王卫平等[8]、罗延钟等[9]、闵刚等[10]通过理论模型对不同飞行高度下的时间域电磁响应影响进行了研究;杨淼鑫等[11]通过富锦—友谊地区的实测资料分析不同发射基频及飞行高度对于直升机TEM数据处理的影响;Macnae等[12]、Buselli等[13]以及朱凯光等[14]、黄威等[15]、沈凌群等[16]对航空电磁运动噪声的去除进行了理论研究。前人的研究缺少针对直升机TEM野外测量影响因素的整体分析,而结合实测经验分析测量影响因素有利于提高从业人员对直升机TEM野外作业整体流程认识,把控各测量环节质量。笔者结合2019~2020年雄安新区白洋淀及雄县两个测区直升机TEM实际测量案例,分析直升机TEM野外测量的几个主要影响因素,对今后直升机TEM飞行作业具有实际意义。
1 直升机TEM工作原理
直升机TEM是应用电磁感应原理,将瞬变电磁装置搭载在直升机上进行地质探测的一种地球物理勘探方法,目前实用的系统有VTEM、AeroTEM、SkyTEM等[3,17-18]。其主要工作原理是使用不接地的回线源向地下发射脉冲信号,产生电磁响应,即为一次场。在一次场的激发下,地质体会激励起感应涡流,产生随时间变化的瞬变电磁响应,即为二次场[16,19],而产生的二次场特征取决于地下介质的电磁特性。二次场衰减呈现e指数规律,早期道衰减速度快,而晚期道衰减缓慢,但信号也弱,容易受到干扰。探测目标地质体若为良导体,观测电磁信号随时间变化衰减缓慢;相反,目标体为高阻体时,观测电磁信号随时间变化衰减速度快。通过观测二次场电磁信号的变化特征,可以推断地下介质结构特征,从而达到探测地质信息的目的[15]。直升机TEM工作原理示意见图1。
图1
根据装置不同,直升机TEM测量系统可分为同心装置和偶极装置两大类。同心装置收发同步,收发线圈相对位置固定,易于补偿,避免了异常变形,方便后期解释,对异常体分辨率较高;偶极装置受一次场影响小,噪声小,采样率高,对地下目标体的横向分辨率较高[3]。雄安测区使用的AeroTEM系统属于同心装置大类,X分量接收线圈在发射线圈中间,而Z分量接受线圈位于发射线圈一侧。
2 直升机TEM测量影响因素
要安全、高效完成直升机TEM测量任务,需要明确影响测量的主要因素有哪些,如起降点、架次飞行计划会影响飞行效率;天气会影响飞行安全;飞行高度、速度会影响测量数据质量;空域协调会影响飞行进度。
2.1 吊挂直升机选型
直升机航空TEM设备具有发射功率大、重量大的特点。以AeroTEM系统为例,整套系统重约540 kg,在75 Hz基频下发射电流峰值约为400 A,这对吊挂设备的直升机性能提出了较高的要求。目前国内外直升机TEM使用最为广泛的机型为空中客车直升机公司的AS350B3(小松鼠),该机型性能优越,曾在2015年5月创造出在珠穆朗玛峰起降的记录[20]。国内中航工业昌飞集团自主研制的AC311A直升机与小松鼠性能接近,也可吊挂TEM设备进行作业。除上述小型直升机外,国内外性能优异的直升机还有很多,例如中航工业哈飞集团的AC312E双发直升机,起飞质量更大,续航更久,可在高温高原环境下起降,但其双发高功率的特点,导致测量生产成本要高于小型直升机;且更大的机身对起降场地及后勤补给的要求也更高。AC312E或更高性能的直升机适用于重量更大,探测深度更深的大直径TEM吊挂。上述机型的主要性能参数见表1。
表1 3种直升机主要性能指标
Table 1
| 机型 | 最大起飞 质量/kg | 最大航程 (无余油)/km | 发动机数 /个 | 单发最大连续 功率/kW | 单发最大起飞 功率/kW |
|---|---|---|---|---|---|
| 空客 AS350B3 | 2250(标配) 2370(选装) | 650 | 1 | 543 | 632 |
| 昌飞 AC311A | 2250 | 630 | 1 | 543 | 632 |
| 哈飞 AC312E | 4250 | 709 | 2 | 685 | 735 |
注:AS350B3数据来自于该机型操作手册[
2.2 起降点选择
相对于固定翼飞机,直升机起降无需设施齐全的专用机场,有一块宽阔平坦的空地即可实现[7]。直升机TEM作业临时起降点应选在测区内或者测区边缘的空旷地带,以提高飞行效率。起降点内应铺设缓冲沙袋,在飞机降落时保护设备。此外,起降点应具备驻扎帐篷条件,用来存储设备备用件及工具等。由于直升机TEM在测线飞行前及返航前都需要做高空背景场校正,而高空背景场校正地点需为无电磁干扰的空旷地带。因此,选择的起降点也不宜离高空背景场地点太远。
图2
图2
雄县测区起降点与测区位置示意
Fig.2
Location map of the landing points and the survey area in Xiongxian
2.3 天气影响
天气是直升机TEM作业的主要影响因素之一。在直升机TEM作业时,自然界的电磁噪声主要来源于天电干扰。天电干扰是指大气层中积贮的电荷放电而引起的电磁辐射[12]。雷电属于最强烈天电干扰之一,会给测量带来很大的噪声影响。因此,在测区或周边地区为阴雨(雪)、雷电天气时,应禁止飞行。在下雨(雪)过后,应等地面晾晒干燥后再飞行,以此保证采集信号地质条件的一致性。测量飞行全程应在云底以下,且在做高空背景场校正时禁止穿云飞行。
根据中国民航局对于基本目视飞行规则的最低天气标准规定,在修正海平面气压高度900 m(含)以下或离地高度300 m(含)以下(以高者为准),如果在云体之外,能目视地面,允许航空器驾驶员在飞行能见度不小于1 600 m的条件下按目视飞行规则飞行[24]。直升机TEM测量属于超低空飞行,吊舱离地高度一般小于60 m,因此对能见度要求更高。当起降点及测区内能见度小于4 000 m时,应禁止飞行。
风对于直升机TEM测量的影响主要为飞行安全、线圈姿态和系统噪声等方面。当风速达到一定程度时,对于飞行安全威胁最大的是侧风,而顺风时候飞行速度难以控制。风速过大时,线圈姿态不易控制,接收的电磁响应不准确,影响测量效果。当有风时,应在保证安全前提下,参考风力、风向及测量噪声,再决定是否可以飞行作业。2019~2020年在雄安新区两个测区使用AeroTEM系统作业共计46个测线架次,飞行时风力均在4级(含)以下,测量动态噪声均在±10 nT/s以下,满足测量要求。
2.4 飞行高度影响
理想状态下,直升机TEM在生产作业时应保持同一飞行高度沿地形起伏飞行。但在实际飞行中,飞行员会因避让测量区域内的楼房、高压线、树木等提高飞行高度,对采集的数据质量产生影响。为了解测量系统在不同高度下的电磁响应衰减情况,使用AeroTEM系统在雄安新区白洋淀测区开展了不同高度飞行。在图3中,随高度增加,异常电磁响应早期道幅值从2 800 nT/s衰减到200 nT/s,晚期道幅值从500 nT/s衰减到50 nT/s,早、晚期道幅值越来越接近;随高度增加,电磁响应信噪比降低,异常细节也相应减少。
图3
图3
L11890线不同飞行高度电磁响应
a—吊舱平均高度40 m;b—吊舱平均高度80 m;c—吊舱平均高度120 m
Fig.3
Electromagnetic response at different flight altitudes of line L11890
a—average altitude of the loop is 40m;b—average altitude of the loop is 80m;c—average altitude of the loop is 120m
为保证测量质量,雄安新区白洋淀测区的设计平均吊舱离地高度为50±10 m。按照测线统计,吊舱平均高度在60m以下的测线占总测线数的97%;吊舱平均高度在40±10 m区间的测线数占总测线数的78%;吊舱平均高度在46±5 m区间内的测线占总测线数的62%。经统计,雄安新区白洋淀测区的平均吊舱离地高度低,且所有测线的平均吊舱离地高度一致性保持较好。在实际作业中应根据测区地形合理设计飞行高度,并控制各测线平均吊舱离地高度的一致性。
2.5 飞行速度影响
图4
图5
图5
不同飞行速度下AeroTEM系统噪声示意
a—悬停;b—30节速度;c—40节速度;d—50节速度
Fig.5
AeroTEM system noise at different flight speed
a—hover;b—speed 30 knots;c—speed 40 knots;d—speed 50 knots
在雄安测区正式开工前,使用AeroTEM系统在高空背景下进行了直升机不同速度噪声水平测试。在高空背景下,近似认为地面电磁信号为零,系统采集到的电磁数据即为噪声。从图5中可以得到直升机不同速度下系统噪声大小:悬停噪声为±1 nT/s;30节速度下噪声为±2 nT/s;40节速度下噪声为±5 nT/s;50节速度下噪声为±6 nT/s(节:速度单位,1节≈1.852 km/h)。从不同速度下噪声水平对比来看,飞行速度越快,系统采集数据的噪声越大,从而对采集数据的质量影响也越大。
为控制噪声、兼顾效率,雄县测区的设计平均飞行速度为40节。经过统计:全区平均噪声为±6.4 nT/s,噪声变化区间为±(4~8) nT/s;全区平均速度为39节,速度变化区间为37~42节,其中平均速度在39±1节区间内的测线数占总测线数的68%。
从统计结果可以看出雄安新区雄县测区全区平均飞行速度选取合理,架次间平均速度一致性保持较好,噪声控制较好。飞机在飞行过程中会引起线圈抖动,从而产生噪声;速度越快发动机功率也越大,线圈抖动程度也会相应增加,从而造成运动噪声变大。但在实际作业中并不是飞越慢越好,应是在噪声水平符合质量要求且兼顾效率前提下,保持直升机低速、匀速飞行。
2.6 其他影响因素
除上述提到的影响直升机TEM测量的因素外,空域协调也是影响飞行测量的主要因素。当测区范围较大,横跨多个飞行协调区域时,应按照协调区域将测区分成相应的区块。这样可以降低协调难度,提升飞行计划通过率,进而提高飞行效率。
此外,架次飞行计划的合理性也直接影响测量飞行效率。直升机TEM测线飞行时,每飞行1 h需要做高空背景场校正,这对架次飞行计划制定提出了更高要求。以雄安新区白洋淀测区为例(图6),飞行计划制定如下:① 直升机从起降点起飞后先进行高空背景场校正,然后进入测区东部测线飞行1 h后出测线,做高空背景场校正;② 下降高度进入测区中部测线飞行,飞行1 h后,从测区北侧爬升高度进行高空背景场校正;③ 完成第3个背景场后,进入切割线飞行,然后做高空背景场校正后返航。该飞行计划优势在于可充分利用高空背景场校正时爬升、下降及返航航路,提高单架次飞行效率。
图6
3 测量系统稳定性评价
测量系统的稳定性对于直升机TEM野外作业是至关重要的,测量系统的状态是测量数据质量的前提保证。
3.1 地面静态测试
在测量前、测量中期及测量结束后,直升机TEM系统须完成3次不少于3 h的地面静态测量试验,计算仪器噪声、GPS静态定位精度以及发射峰值电流值等,检查系统各仪器工作状况。
以AeroTEM系统为例,在雄安白洋淀测区作业时共进行了3次地面静态测量试验。3次静态测试中噪声均小于或等于±3 nT/s;GPS静态定位精度(2D)均小于1 m;每小时峰值电流漂移均小于或等于±1.5 A;系统数据采集漏码率均小于或等于0.06‰。以上统计指标均优于设计指标。
3.2 架次系统稳定性
直升机TEM测量过程中每架次针对测量系统的监控可以让从业者及时发现问题,调整系统状态,保证测量任务的正常进行。以AeroTEM系统为例,主要监控的系统指标有两个:内校信号稳定性及发射的峰值电流。
图7
图7
白洋淀测区高空内校信号电磁响应统计
Fig.7
Statistical graph of electromagnetic response of internal signal at high altitude in Baiyangdian area
图8
图8
白洋淀测区架次峰值电流统计
Fig.8
Statistical graph of flights peak current in Baiyangdian area
4 结论
笔者结合雄安新区白洋淀和雄县两个测区野外测量实例,对直升机TEM野外测量整体流程进行了梳理,分析了野外测量过程中存在的主要影响因素,进而为后续直升机TEM野外测量提供参考经验,并得到以下结论:
1)测量机型建议选用性能可靠且经济的小型飞机,例如小松鼠或AC311A;临时起降点应选在测区内或紧邻测区,且选址应考虑高空背景场地点。
2)为减少天电影响,飞行日应避免测区及周边的阴雨(雪)、雷电天气,风力4级以上不建议飞行;飞行时起降点及测区内能见度应在4 000 m以上。
3)从实测数据看出,在执行飞行任务时,应在保障安全的前提下,尽量保持低高度飞行,且全区飞行高度要保持一致;飞行速度应尽量保持在40节左右,在满足噪声水平质量要求的前提下,兼顾效率,匀速飞行。
4)当测区面积较大时,应在考虑空管因素下划分为若干小区块;架次飞行计划制定应充分利用航路,提高飞行效率。
5)在开工前、测量中期及测量结束后做3次3 h以上的地面静态测试,监控测量系统各仪器指标是否正常;对每架次的测量系统主要指标进行监控统计,保证每架次测量时系统性能稳定。
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