国外航空物探系统集成技术回顾(2015~2020)

图1 典型硬架磁测系统

Fig.1 Examples of hard-mounted airborne magnetic survey systems

硬支架系统是航空磁测的主力军,主要优势在于飞行器的姿态相比吊舱姿态更容易控制,测量过程中不会出现明显的数据错误(如磁传感器姿态失控导致的光泵磁力仪失锁),受气流干扰较小,且对飞行速度没有限制,飞行高度容易控制。

硬支架磁测系统的磁补偿方法无论是集成于固定翼还是旋翼机,有人机还是无人机上,并无本质区别。保持磁干扰源与探测器相对位置固定,通过Leliak方程等模型拟合飞行器姿态与磁干扰场的关系,得到固定的补偿系数,再在实际测线中测量飞机姿态,最后使用拟合系数计算并减除该姿态下的理论磁干扰场。另外随着惯导系统精度的提高,一些磁梯度系统也开始使用惯性元件进行角度计算和修正^[7]。

航空磁法吊舱系统相对易于布设。软吊挂系统的优点在于,传感器与飞行器干扰源的距离非常远,磁干扰场建模更加简单,大多数情况下甚至可以被忽略。很多软吊挂系统不需要飞行器供电,仅通过承重吊索与飞行器相连。吊舱系统在接触输电线、飞行时突发风切变、飞行器误入涡环等危及安全的特殊情况下,可通过手工或自动方式脱离飞行器,从而降低飞行器负载。其缺点在于,飞行器与软吊舱组成的系统整体重心会向吊舱方向移位,吊舱较重时,整体重心甚至会移至机体之外,不利于飞行器的机动性能。图2展示了2款典型旋翼机软吊磁标量测量系统。

图2

图2 典型旋翼机软吊磁标量测量系统

Fig.2 Examples of “towed-birds” formagnetic scalar surveys

得益于材料科学和传感器技术的进步,磁标量测量吊舱的质量逐渐降低。目前针对无人机设计的包括惯导、收录和电池在内的一套磁标量吊舱测量系统质量仅3 kg左右。相比有人机系统,这些无人机系统^[8]的风险承受能力较高,测量飞行高度可以非常低,一般测量时探测器离地只有10~30 m;初期布置成本也比较低,在通信可覆盖的环境下可以配备实时差分GPS(RTK)并实时传输测量数据;因飞行速度慢,探测效率较低,一般作为地面测量的辅助而存在。

有无人机研发能力的公司在设计数据收录系统时可以非常方便地让二者共用GPS、惯导系统和高度表,进一步降低整体的起飞质量,如GEM公司自主设计制造了GEM Hawk无人直升机。另一些公司更加注重产品生命周期和开发成本,直接选用成熟的通用UAV平台,能够达到更好的飞行控制和环境适应能力。如Devbrio公司在DJI600上集成的磁标量吊舱,使用大疆公司技术体系下的三维导航功能,能够在6 m/s风速下保持测线并自动避障(抬高飞行高度)飞行。

国外磁梯度测量的公司对硬架系统与软吊挂系统孰优孰劣存在很大争议。一些公司认为,软吊挂磁梯度测量方法的修正难度远低于硬架系统,是目前技术条件下解决磁梯度噪声问题的最佳方案。如Scott Hogg & Assistants公司公开表示,使用基于Leliak方程的航磁标量补偿方法会残留磁标量误差。这些误差和错误值的量值很小,在磁标量场测量项目中不构成严重问题。但在梯度测量中,随着飞行方向的改变,该误差会不可避免地被传递和放大。即使梯度系统中所有标量磁传感器单独的FOM值(即品质因数,为磁补偿后各方向所有动作残留磁标量误差值之和,越小则代表数据质量更佳,典型值一般在1 nT以上)在0.6 nT左右时,也可能会造成0.2 nT/m以上的与姿态和航向相关的高频梯度噪声和难以估计的低频梯度误差。而无磁的磁梯度吊舱系统误差更低。通过在吊舱上加装无磁或弱磁的惯性模块和高度表来精确测量实时姿态,即可避免过度使用数学近似方法来调平改正数据,也能够降低磁场上、下延误差。

将各磁传感器置于空间四面体顶点的排布方式比较常见,这种方式由于其良好的对称性,在处理航向改正及磁补偿时具有计算优势,包括SHA的“Heli-GT”(图3a)、Triumph surveys的MTG04“Air-Frame”、GEM的“Triaxbird” 等主流磁梯度吊舱系统使用的都是这种模式。

图3

图3 典型旋翼机软吊磁梯度测量系统

Fig.3 Examples of “towed-birds” for magnetic gradient surveys

垂直梯度阵列的排布模式除了地质用途之外,同样可以用于浅层人造小型磁体的精细查找工作。如Eagle Geophysics 的“White Eagle”系统(图3b),将5组垂直梯度磁探测器横向一字排列,以获得更高的平面分辨率。

GPR公司的 “Helimag” 系统将传感器舱设计为十字排布(图3c),即可以安装磁传感器,又可以在两水平舱内安装频率域电磁收发线圈,方便地在两种用途间转换。

目前GEM公司的GSMP-35A/U钾光泵磁力仪性能指标达到最佳,其标称灵敏度值达0.2 pT(1 Hz低通),转向差0.05 nT,绝对精度也达到了0.1 nT,可以直接输出20 Hz的RS-232串行信号。在此基础上,该公司开发了适合无人机上使用的“Airgrad”系统,该系统集成了2台磁力仪及GPS、惯导、激光高度表和数据收录器,全套电子系统(包括供电)完全集成于吊舱之上,总质量仅6 kg。

在小型化方向,芯片级大小的光泵磁力仪^[9-10]于2012年左右开始运用在生物磁学领域,之后在此基础上又发展出了光泵磁梯度仪。这种磁梯度仪使用激光作为光源,由两组平行光系组成,传感器部分长度仅60 mm,宽12 mm。该设备对20 mm长的基线,20 Hz采样率时噪声级别为10 fT/Hz^1/2。这种设备更适合手持或者无人机使用^[11-12]。

超导量子干涉(SQUID)磁张量测量系统(图4a)很有希望成为未来主流的磁梯度测量系统。最早的实验型SQUID磁测系统在2010年即已推出,但经过了漫长的沉寂期后,直到2017年才真正的出现在商用领域,时至2020年末,技术已较为成熟。SQUID有极佳的全频段性能,频率响应极快,采样率远高于目前的光泵系统,可以用于电磁法中二次场的接收;没有死区,方便在低纬度地区和极地的使用;测量的磁梯度值仅限于芯片区域,受到噪声影响更小,精度也超过了光泵系统^[12-13]。

图4

图4 SQUID磁张量测量系统

Fig.4 Examples of SQUID magnetic tensor surveys

Dias Geophysical Inc.和Spectrem Air等公司的主探测器都是IPHT Jena与Supracon AG联合研发制造的SQUID传感器,该公司的M12芯片固有噪声已可以达到0.33 fT/Hz^1/2。Supracon AG最新一代航空磁张量吊舱系统命名为“Jessy Star”^[14](图4b)。该系统的核心SQUID传感器置于无磁低温恒温器底部,该恒温器填充了温度4.2 K的液氦。SQUID的非线性模拟信号通过低温恒温器顶部的反馈电路线性化和数字化,输出信号采样率1 kHz。数据采集模块采用电池供电,最多可运行10 h。吊舱上同时集成了GPS接收模块、惯导模块(三轴光纤陀螺)、压力调节器和雷达高度计。数据可通过光纤和无线(WLAN)两种方式传输到直升机舱内的监控系统中。惯导数据通过卡尔曼滤波后计算欧拉角,用来修正梯度数据角度。实测动态飞行时所有梯度噪声在4.5 Hz低通滤波条件下可达10 pT/m以下^[15]。该系统吊舱加装了减震弹性支架,以便在落地过程中保护传感器。值得注意的是,相比传统的三点以上固定方式,该系统承重缆绳仅连接吊舱重心两侧,使用尾部整流筒所受空气压力代替该点原有的缆绳来保持平衡。这种做法的优点是飞行器速度变化时吊舱姿态不变。

2 航空电磁系统

电磁法测量的直接目的是观测地质体的电阻率和极化率差异,除找矿外,对水质监测和地下水勘探也有很好的效果^[16-17]。与磁测系统相似,航空电磁系统历史也比较悠久,是传统航空物探中竞争最为激烈的领域^[18]。据2019年的一项统计^[19],目前国外在运营之中的主要航空电磁系统有27种(表1),其中不包括这些系统的分支系统(如VTEM-MAX,VTEM-PLUS和VTEM-ET等)。近5年来,多家公司对其时间域电磁系统进行了改进,新的构型和空气动力学改进可以有效降低电磁系统的震动噪声。由于新的分析方法开始普及,电磁法的最终产品除电阻率外也开始提供感应极化率^[20⇓-22]。

表1 2015~2020年国际上主要电磁系统一览

Table 1 Major airborne EM systems in 2015~2020

系统	模式	公司	国家
AGP EM	TD	Aerogeophysica Inc.	俄国
AirTEM	TD	Triumph Surveys	加拿大
ATLAS	FD	Precision Geosurveys	加拿大
BIPTEM	TD	Thomson Aviation	澳大利亚
EQUATOR^[26]	TD/FD	GeoTechnologies	俄国
E-THEM	TD	EON Geosciences Inc.	加拿大
EXPLORERHEM	FD	Aerophysics	墨西哥
GPRTEM2	TD	Geophysics GPR	加拿大
Heli-SAM^[27⇓-29]	FD	Discovery Inter. Geo.	加拿大
HeliTEM^[30]	TD	CGG MultiPhysics	加拿大
Hummingbird	FD	EON Geosciences Inc.	加拿大
HyRez	TD	Terraquest	加拿大
IMPULSE	FD	Geotech Ltd.	加拿大
ITEM	TD	Precision GeoSurveys	加拿大
MobileMT^[31]	FD	Expert Geophysics Ltd.	加拿大
NOVATEM	TD	Novatem Inc.	加拿大
Nu-TEM	TD	NUVIA Dynamics	加拿大
ProspecTEM	TD	ProspectairGeosurveys	加拿大
P-THEM	TD	Pico Envirotec	加拿大
Resolve	FD	CGG MultiPhysics	加拿大
SGFEM	FD	Sander Geophysics	加拿大
SkyTEM^[32⇓-34]	TD	SkyTEM	丹麦
Spectrem Plus^[35-36]	TD	Spectrem Air	南非
Tempest	TD	CGG MultiPhysics	加拿大
VTEM^[37-38]	TD	Geotech Ltd.	加拿大
Xcite	TD	New Resolution Geophysics	南非
ZTEM^[39]	FD	Geotech Ltd.	加拿大

注:TD表示时间域,FD表示频率域。

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虽然频率域系统的穿透能力和带宽不及时间域系统,但由于对飞行器机动性能影响较小、耗电较少,其发射线圈不需要采用刚性较差的平面环形结构,所以在复杂地形条件下,形变噪声较低,在山区和浅层目标勘探市场中占有一定份额。

“天电”(又称天然场源法)是频率域系统的一种极端应用,借助自然发射源(如雷电在电离层中激发的电磁波)作为一次场。这类系统有着悠久的历史,优点和缺点也同样突出。自然源的带宽是人工源所无法比拟的,这使得“天电”系统理论测深能力极佳。但由于这类系统对浅层目标的分辨率较低且易受人文干扰,对接收机和数据处理方法的要求较高。目前天电的普及程度不及其他电磁方法。Expert Geophysics Ltd.的Mobile MT系统是目前航空时间域和频率域电磁系统中标称测深能力最强的系统(图5a)。该系统测量频率25 Hz~20 kHz,实测对深度大于1 km的目标也有良好的平面和深度分辨率。Geotech的ZTEM也属此列,测量频率30~720 Hz,标称最大探测深度2 km^[23]。

图5

图5 典型频率域电磁测量系统

Fig.5 Examples of “towed-birds” for Frequencydomain EM surveys

很多时间域系统继续通过加大发射磁矩来增加探测深度。CGG的HeliTEM^[24⇓-26]在这期间一度可以达到2×10⁶ A·m²。Geotech的VTEM-MAX的最大磁矩值为1.4×10⁶ A·m²,优化后的VTEM-Plus系统达业界最高信噪比,技术优势相当明显^[27⇓-29]。接收系统中,SkyTEM系统^[30-31]的采样率可达5 MHz,是目前航空时间域电磁系统公开文献中列出的最高值^[32]。

固定翼时间域电磁系统的最大发射磁矩未能打破MEGATEMII系统2010年之前达到的2.2×10⁶ A·m²,但该系统已不再运营。目前Spectrem Air的Spectrem Plus系统^[33-34]是目前发射磁矩最大的固定翼时间域电磁系统(图6a)。该系统集成在一架道格拉斯DC3旋翼机上,发射线圈采用在机头、机翼、机尾四点固定方式安装,线圈有效面积420 m²,其方波发射机运用了并行发射技术,飞行作业时电流峰值1 800 A,发射波形为类方波,发射磁矩0.76×10⁶ A·m²,接收线圈使用绞绳拖于飞机后部,远离一次场和飞机电磁场干扰。

图6

图6 典型时间域电磁测量系统

Fig.6 Examples of Time domain EM systems

过大的发射电流和线圈匝数会使得发射波形难以精确控制,下降沿过宽不利于提取反映浅层特征的前期道精确值。有些系统通过发射多波形电磁波的方式,寄希望于精确控制发射的小峰值规则波形^[26],再通过正负波形叠加求出发射波下降时间段的二次场来探测浅层;另一些系统则选择使用单匝发射线圈的方式降低线圈自感,从而减少下降沿时间。如Precision Geosurveys公司运行的“1TEM”系统(图6b),是Geosolution公司“REPTEM”系统和“HOISTEM”的增强版本,采用单发射线圈设计方式,发射波形的下降沿时间仅35 μs。

半航空电磁法指的是将像地面电法一样将发射系统(线圈或电极)在地面铺设,空中仅负载接收系统。以Discovery International Geophysics公司的“HeliSAM”系统为例^[35-37],在地面铺设Gap Geophysics公司设计的地面电法发射系统,发射1~10 Hz的方波。一般发射线圈周长约4 km,磁矩达到100×10⁶ A·m²以上。空中系统集成方式为旋翼机拖曳吊舱,在地面线圈围成的区域附近往返测量飞行。为避免接收线圈的航向噪声,使用以Gap Geophysics公司的TM-7磁力仪为主的接收系统,直接接收磁总场而非其对时间的一阶导数(称为B-field方法),采样率4 800 Hz。TM-7磁力仪是一种专门为快速磁标量测量设计的磁力仪,RMS噪声20 pT。通过后期解算,可同时得到测区的总磁场强度、磁导率、二次电磁场和感应磁极化率。该接收系统已有无人机载版本。

3 航空重力系统

重力测量的直接目的是观测地质体的密度差异。地面静态重力测量方法由来已久,20世纪90年代后,动态的航空重力方法开始用于物探领域^[38]。

Canadian Microgravity公司的GT-2A是目前市场上最受欢迎的航空重力标量测量系统,其他如Sander公司的AirGrav系统等则处于自用状态。值得一提的是,iMAR公司在2018年开发了小型化的重力仪“iCORUS”(图7)。该系统运行功率仅150 W,总重25 kg,其UAV悬挂版本可以减至10 kg。在单独使用时精度在1~3 mGal(滤波半波长2 km)^[39],配合其万向稳定平台iDGU-100X后,精度可达1 mGal。

图7

图7 iMAR的iCORUS系统

Fig.7 iMAR’s “iCORUS” gravimeter

在重力梯度领域 $^{[4043]}$ ,21世纪后研究量子干涉重力仪的机构大多数精力都转向基础物理研究而非矿业和导航等应用上。基于Lockheed Martin公司的专利的Falcon和FTG(重力张量)系统在性能上一直占绝对优势^[44]。紧随其后的是Gedex Systems的HD-AGG超导重力梯度仪,精度可达10 Eö/Hz^1/2以下,目前正在优化平台,以期达到更好的效果^[45](图8)。2015~2020年间,又有2家新的从事量子干涉重力梯度仪研究的商业机构成立,分别是美国的AOSense和法国的Muquans,但离航空应用还有一段距离。

图8

图8 典型重力梯度/张量仪器

Fig.8 Examples of airborne gravity gradiometers

Falcon系统于2000年前后实验成功,近年来宣称经过软硬件技术改造,其噪声较初期版本降低了一半,受飞机颠簸影响很小,HeliFalcon系统在50 m半波长下噪声水平3 Eö以下;与独立的低精度sGrav标量重力仪组成“Falcon Plus”系统,使用联合解算的方法消除积分误差,150 m半波长下最大噪声2.2 Eö;最新的eFalcon更新了算法,在150 m半波长下分辨率可达1.0 Eö。

FTG系统近年也进行了一系列的改进,加强后的eFTG精度达2.5~4 Eö/Hz^1/2。并且对模拟系统进行了数字化改造。改进后的dFTG系统的体积和质量较模拟信号版本分别下降了30%和40%。另外重新设计后的系统与Falcon系统统一了技术标准,核心备件可互换。Bell Geospaec公司发布了其使用FTG系统的实测图件,各方向分量异常形态清晰,边界整齐。

业界翘首以盼的洛克希德·马丁公司的FTG Plus系统正处于研发之中,该公司称此系统将不再需要转动平台,理论精度可达到目前Falcon Plus的10倍以上。另外,Rio Tinto公司也对其VK-1系统报有进入1 Eö/Hz^1/2精度以内的希望^[46]。

4 航空伽马能谱系统

航空伽马能谱测量的主要目的是通过测量地质体内核素衰变产生的伽马射线分析地质体的核素含量和构成,对于地层分析^[47]和土壤污染监测^[48-49]有良好的效果。

Radiation Solution公司和Nuvia(原Pico)公司仍然是航空伽马能谱仪最受欢迎的供应商。得益于高速AD/DA芯片的发展,目前能谱仪所用的模数转换器频率可达60 MHz,使得其计数率可以达到2×10⁵ cps以上。

为解决土壤监测和超低空测量的需要,多家公司研制了为无人机设计的小型化能谱仪。其中典型的包括Radiation Solution公司的RS-607和Medusa公司的MS系列(图9)。

图9

图9 典型无人机航空伽马能谱系统

Fig.9 Examples of airborne gammaspectrometers on UAV

由于数据处理算法的进步,晶体能量分辨率的绝对值对航空伽马能谱探测效果的影响较之前略有降低。碘化铯晶体能量分辨率较低,结晶难度较大,所以长期以来不及碘化钠晶体使用广泛。但因其不易潮解,性能更加稳定,适用于恶劣环境,所以在使用全谱线算法之后,又重新受到青睐。据Medusa公司的测试报告^[50],其MS4000系统在使用全谱线算法计算含量后,探测效果几乎可以媲美四倍体积碘化钠晶体的直接使用“三窗法”的旧系统。

另外,SKYTEM将Medusa的MS4000(4 L CsI晶体)集成在其SKYTEM-304型TEM吊舱上,由于晶体体积较小,该系统设计测线飞行速度不能超过45 km/h。Geotechnologies-Russia将32 L碘化钠晶体集成在了其减震能力较强的“EQUATOR”电磁系统吊舱上,是目前唯一集成了时间域电磁、频率域电磁和伽马能谱设备的吊舱系统(图10)。

图10

图10 Geotechnologies-RUS的 EQUATOR 时间域/伽马能谱吊舱

Fig.10 Geotechnologies-RUS’s “EQUATOR” TEM/Gamma-ray spectrometer towed-platform

5 结论

航空物探测量技术不仅是地质勘探领域的必须技术,也与其他关键领域的前沿技术相辅相成,值得长期投入研究^[51-52]。各种航空物探系统虽然原理大同小异,但对分辨率、探测深度和效率成本之间的偏向性存在较大差异,集成方法和硬件的选择要取决于探测目标和数据处理能力。在机器学习时代,我国在算法研究上已在世界前列有一席之地^[53-54]。相比之前一味面向大尺度、大深度的基础地质问题,重力梯度/张量、磁梯度/张量和电磁方法开始向兼顾浅层空间分辨率的方向发展。

国外各测量方法领域均出现了无人机的身影,但新出现的系统大部分暂时只是用于辅助地面的小测区测量或在相对平坦地形飞行,暂时仍不足以在全产业支撑起航空领域的大型设备或新方法的需要,对航空物探领域发起革命性的冲击仍需时日。相比之下,国内对无人机测量系统的研究和使用热情更高。

航空物探方法分支众多,发展速度较快,本文引用系统时仅考虑了单项指标而非综合性能。如果考虑到公开文章中很少提及也较难量化的综合探测效果、故障率和易维护性等,很多没有在文中提及的系统综合性能也各有其优点。

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