轻型无人机航磁调查系统及在矿产勘查中的应用前景

2021-09-16张文杰杨生郭刚冀新臣杨申勇

矿产勘查 2021年4期

张文杰，杨生，郭刚，冀新臣，杨申勇

（有色金属矿产地质调查中心，北京 100012）

0 引言

中高山、地貌复杂地区的矿产勘查难度大、工作程度低，然而也是我国金属矿产的重要勘查接替区（周道卿等,2013），为了研究一种快速有效的找矿勘查手段，有色金属矿产地质调查中心在自研发传统动力三角翼航磁系统基础上（王庆乙等,2010），进一步研发集成了以多旋翼和垂起固定翼无人机为飞行平台的轻型无人机航磁调查系统。该系统主要针对中高山、地貌丛林发育等人力极难开展工作的复杂地区，采用沿地形起伏仿地飞行测量方式，获取高分辨率、高质量的航磁数据，实现大比例尺高精度低空航磁精细测量，最重要的是不会因超低空飞行事故造成人员伤亡（熊盛青,2007）。本文通过在云南个旧和河南嵩县庙岭的典型高山、地貌发育特征的地区进行了轻型无人机航磁调查实践，获取了丰富的高精度航磁数据信息，为矿山深部及外围找矿预测提供了可靠依据。

1 无人机航磁系统现状

1.1 国外现状

（1）固定翼无人机航磁系统

无人机航磁系统的发展主要受制于无人机和航磁磁力仪的发展进度，目前国际上主流固定翼无人机航磁技术主要是荷兰的Fugro公司的Georanger无人机航磁系统、英国Magsurvey公司的PrionUAV无人机以及加拿大万能翼地球物理公司的Venturer无人机（崔志强等,2019）。以上均属于弹射式中大型固定翼无人机，搭载重量较大的光泵磁力仪，优点是单架次全自主飞行续航时间长（1～20 h不等），光泵磁力仪精度质量高；缺点是设备机动性相对差、对飞机起降环境要求高、沿地形起伏飞行能力差、飞行高度高以及成本费用高等。

（2）多旋翼无人机航磁系统

多旋翼无人机对比固定翼无人机可以悬停变高随地形起伏飞行，具备完全的超低空飞行测量能力。当前主要是德国MGTUAS无人机航磁系统（吴珊等,2017），搭载航空三轴磁通门进行飞行测量，主要应用于未爆弹检测、管道跟踪等浅部埋藏物。磁通门受姿态变化影响较大，在无人机起伏变高飞行时，仪器记录数据误差较大且无法完全补偿校正，因此不适应于高山复杂地区的变高飞行测量。

1.2 国内现状

国内的无人机航空物探研究虽起步较晚，但进步很快。先后有中船重工第七一五研究所、中科院遥感所、自然资源部航遥中心、地科院物化探所等单位开展了基于固定翼或直升机的无人机航磁测量技术的研究工作（崔志强等,2015）。

2008年，中船重工715所最早开始了基于大载荷无人直升机平台的航磁系统研究，采用的是V750无人直升机，搭载氦光泵磁力仪（GB-10），随后，中科院遥感所采用自行研发的航模型固定翼无人机搭载氦光泵磁力仪在内蒙古进行了系统应用测试。2011年自然资源航遥中心采用ASN-216多用途无人驾驶飞机搭载氦光泵磁力仪进行了航磁测量的系统研制和试验，该航磁系统为高空无人机航磁探测系统。2011年，国家深部探测技术与实验研究专项子项目固定翼无人机航磁勘探系统（SinoProbe-09-03）研制成功（黄大年等,2012）。2013年，地科院物化探所基于国产彩虹3长航时固定翼无人机平台，搭载CS-VL铯光泵磁力仪及航空伽玛能谱仪（李军峰等,2014），在多宝山矿区实施了无人机综合测量应用试验。受制于固定翼无人机的飞行性能特点，航磁作业不能进行超低空沿地形起伏飞行测量，仅适用于大面积、地势平坦区域的航磁调查；旋翼无人机可沿地形起伏飞行，但大载荷无人机的可靠稳定性以及磁干扰补偿方面还有待发展提高。

依托自有动力滑翔机航磁系统的基础优势（王庆乙等,2010;杨生等,2017），有色金属矿产地质调查中心从2016年开始启动无人机航磁系统的研发及应用试验，力求避免有人机的人员伤亡危险，真正实现超低空沿地形起伏飞行、高效便捷的高分辨率航磁测量系统。在中国地质调查局发展研究中心的大力支持下，将研发试验成功的多旋翼无人机航磁和垂起固定翼无人机航磁应用到矿产地质调查项目，并取得较好效果，航磁系统见图1。

图1 多旋翼航磁（a）与垂起固定翼航磁（b）系统

2 轻型无人机航磁系统

2.1 多旋翼无人机航磁系统

2.1.1 系统组成

多旋翼无人机航磁系统由大疆M600Pro六轴多旋翼无人机和钾光泵磁力仪组成。

M600Pro六轴多旋翼无人机最大起飞重量15.5 kg，最大载荷5.5 kg，无需跑道或专用场地便可以垂直起降，飞行速度一般在0～50 km/h，具有强大的飞行灵活性，可适用于地形比较复杂的中高山区沿地形起伏飞行，如果地形数据准确且无地面人工设施干扰，多旋翼无人机航磁可沿地形5～30 m高度进行高分辨率航磁测量，甚至可以替代地面高精度磁测。

系统搭载高精度铷光泵磁力仪，分辨率达0.0001 nT，采样率1～10/s，地面静态噪声水平约0.01 nT。整套平台系统以6～10 m/s速度飞行，续航约15～20 min。

2.1.2 系统磁干扰测试

磁力仪和无人机通过硬连接探杆方式进行总装集成，探头安装位置采用远离无人机方式规避机体磁干扰（张龙伟等,2016），为此进行了无人机干扰异常测量试验。选取一块磁测平稳周围无干扰的10 m×10 m的区域，以0.5 m为间隔进行网格化，首先测量没有无人机的背景磁场强度，再将无人机放置中心位置，将测量探头保持飞机同一高度测量飞机平面干扰异常，经日变改正后，无人机网格异常和背景场的差值为无人机的干扰平面异常，如图2所示。

图2 大疆M600Pro无人机的干扰磁异常平面图

多旋翼机体干扰主要发散分布在半径1 m范围内，干扰幅值约60～70 nT，距离无人机中心3 m左右基本上规避了无人机的磁干扰，将铷光泵探头安装在距离中心4 m的位置，解决了干扰源问题；另外，在无人机往返飞行测量时，保持多旋翼探杆始终保持一个方向，这样解决了多旋翼航磁的测量方向差问题。

无人机在飞行过程中电机高速转动，为了分析飞行状态下电机对探头的磁干扰，进行了静止启动飞行的测量实验（图3）。

图3 轻型多旋翼无人机的静止和动态磁干扰曲线

由图3可以看出，飞机由静止到启动前数据平稳，启动瞬间由于飞机动作变化，探头姿态变化造成近2 nT的异常扰动，待飞机平衡稳定后磁场数据恢复平稳，随着飞机起飞，飞机平稳飞行后数据曲线圆润平滑变化，动态噪声约0.05 nT，该状态的磁力仪工作质量满足规范的一级质量要求。

2.1.3 系统试验及对比效果

2018年开始，经过一系列性能测试和飞行试验后，2019年初，项目组在动力三角翼航磁示范区——辽宁青城子矿集区进行了多旋翼无人机航磁系统试验，通过和已有滑翔机航磁测量结果的对比，评价系统性能。试验成果见图4。

图4 多旋翼无人机在辽宁青城子矿区对比试验（磁异常地质图范围一致）

试验区面积5 km²，地形最大高差300 m，线距100 m。多旋翼无人机航磁系统测量结果和以往的航磁结果异常格局完全一致，磁异常和已知的二长花岗岩体分布位置吻合。但因以往航磁飞行离地高度约140 m，而无人机飞行离地高度约80 m且沿地形起伏飞行，所以无人机的航磁成果分辨率更高，对异常的刻画更清晰，反映弱异常能力和异常幅度更强。典型对比剖面P15线的磁测曲线明显反映了无人机航磁的细节分辨好于滑翔机，由于飞行高度更低，将滑翔机的一个低缓异常分解为两个磁异常，且幅值更强。

本次对比试验搭载的钾光泵磁力仪整套系统装置的重量最终精简到4 kg，多旋翼无人机飞行续航控制在15至20分钟内，地形起伏情况下单架次控制测线往返共4 km，测量效率一般；另一方面，高精度钾光泵航空磁力仪较传统氦光泵及铯光泵的测量精度更高，价格成本较高，如果无人机摔机的情况下造成几十万甚至上百万的风险损失很大。因此，项目组寻求一种质量更小、综合成本更低的磁力仪，经过系列的实验测试，三轴磁通门测量数据未能满足航磁规范技术要求。最终，经过实验测试，选用体积质量更小的微型铷光泵磁力仪，地面静态噪声水平约0.01 nT，空中动态噪声水平小于0.08 nT，分辨率达0.0001 nT，航磁设备不含连接线大约600 g，整体系统装置累计不超过1.5 kg。

因以往航磁飞行离地高度约140 m，而无人机飞行离地高度约70 m且沿地形起伏飞行，所以多旋翼无人机的航磁异常分辨率更高，对局部异常的刻画更清晰，反映弱异常能力和异常幅度更强，以往航磁异常幅值-80～200 nT，无人机航磁为-160～340 nT，如图5所示（图中a、b磁异常同一色阶）。

图5 轻型多旋翼无人机航磁系统在河南庙岭地区试验对比

2.2 垂起固定翼无人机航磁系统

固定翼无人机主要适用于大面积更安全更高效的快速航磁测量。受制于多旋翼的续航时间及飞行速度，多旋翼航磁主要适用于小面积的高山复杂地区大比例尺高分辨率的精细航磁调查；为了避免三角翼航磁的人员安全风险，针对大面积大比例中高山地区，开发集成了垂起固定翼无人机航磁。采取和多旋翼一样的测量方式获取了垂起固定翼无人机（纵横大鹏007）的磁干扰场，由图6看出，大鹏垂起无人机的磁干扰主要集中在后推桨发动机和机翼舵机部分，磁干扰达-300～300 nT。

图6 轻型垂起固定翼无人机的磁干扰平面图

将探头尽量远离机体，安装在机头支架1.2 m处，但仍然有2 nT左右的磁干扰，另一方面，固定翼无人机无法像多旋翼一样避免航磁转向差，所以采用三轴磁通门软补偿方式进行光泵磁力仪补偿。无人机的机动动作补偿是固定翼航磁系统发展的重点难点，项目组和相关单位合作，根据固定翼的特点将机动补偿集成了到无人机的飞行控制程序。在一个平稳磁场区上方800 m高空，按照四边俯仰、滚转、偏航动作计算出磁补偿参数，补偿后标准差为±0.05 nT。

为了对该系统进行应用试验与评价，在内蒙古克什克腾北部矿集区以往航磁测区进行飞行对比实验。测量面积24 km²，线距100 m，试验区沟谷发育，高差达200 m；无人机平均飞行离地高度约110 m，以往航磁平均为145 m,如图7所示。

图7 轻型垂起固定翼无人机航磁系统在内蒙古的测量对比试验

最终的无人机航磁异常与以往航磁成果基本吻合，由于无人机设计航线为沿地形起伏，而以往航磁飞行离地高度不均匀离散程度高，无人机的航磁异常细节更丰富、分辨率更高。

为了分析固定翼无人机在飞行状态下电机等机体对磁探头的磁干扰，研究了静止启动飞行的测量实验，由图8可以看出，飞机起飞前数据平稳，飞机启动后以最大转速运转垂起电机和后推电机，叠加环境磁干扰仅40 nT，垂直升空后进入平飞状态，此时航磁数据曲线平滑圆润，动态噪声在0.06 nT以内。本套轻型垂起固定翼无人机基本可以在低山区做到沿地形起伏飞行测量，飞高控制在100 m左右。

图8 轻型垂起固定翼无人机的静止动态磁干扰曲线

3 轻型无人机航磁应用前景

3.1 应用案例

3.1.1 工作区概况

“云南个旧锡矿矿集区矿产地质调查”为地质调查局发展研究中心的找矿勘查预测项目，目的是探寻隐伏岩体。工作区地形陡峭，切割较深，植被发育，最大高差600 m，地面人力、物探工作极难开展，传统航磁方法无法在测区完成低空沿地形起伏飞行测量。区内大部分岩浆岩均隐伏于地下，地表以灰岩、泥质岩、白云岩以及千枚岩等弱磁性岩石地层为主，区内强磁岩性（矿物）主要有夕卡岩、部分花岗岩、玄武岩以及磁黄铁矿（曾茜等,2016）。

3.1.2 测量方法技术

工作区地形复杂、切割大，采用多旋翼无人机航磁系统沿地形起伏飞行测量。根据高精度10 m误差的卫星地形数据，设计仿地飞行航线和野外工作现场如图9所示，线距100 m，无人机飞行速度8 m/s，采样率5 Hz，平均点距不到2 m，平均飞行离地高度115 m，重复线总均方误差计算航磁总精度为3.2 nT。每个架次可飞行有效测线6 km，即往返两条3 km的测线，为节约电池续航，车载无人机转移到测线端点，每个移动起降站最多可控制8个架次，即48 km的测量长度。

图9 多旋翼无人机的航线规划（a）与野外飞行工作照（b）

3.1.3 异常解释和主要成果

图10a是部分测区的航磁化极异常图，图10b为对应地质图，测区中间第四系部分后期改造为尾矿库，和航磁异常M7对应吻合；M6异常规模约3 km²，地表出露地层岩性为灰岩、灰质白云岩，均为无磁、微弱磁性物质，根据磁化率切片剖面（图10c）、构造和重力特征推断M6异常为隐伏变质玄武岩引起。该区铜锡多金属矿和变质玄武岩关系密切，因此M6异常所揭示的隐伏变质玄武岩体是较好的找矿预测标志，也是本次无人机航磁测量的重要成果。

图10 多旋翼无人机航磁在云南个旧地区的测量应用

3.2 应用前景

地表矿、浅部矿、易识别矿在逐渐减少，并且我国的铁矿、多金属矿区以及重点成矿靶区大多为地形复杂的中高山区，地面施工困难，矿区及外围的地质和物探研究程度并不高。我国的航空物探勘查为20世纪70年代前后开展的固定翼航空磁测，定位精度较低，测量比例尺多为1∶20万，少数为1∶5万，且飞行高度较大，很可能遗漏许多有找矿意义的异常（熊盛青等,2008）。因此，开展高精度无人机航空物探测量十分必要。将轻型无人机航磁调查系统的主要适用概况为以下几个方面：

（1）特殊景观区、中高山地形起伏大的地区：地磁工作极难开展，利用超轻型光泵航磁设备充分发挥多旋翼无人机的飞行特点，沿地形超低空仿地飞行测量，获取高分辨率航磁数据。

（2）多金属重点找矿区的大比例尺快速勘查：在矿区外围发现一系列中大型金属矿床屡见不鲜，例如辽宁青城子铅锌矿、江西德兴铜矿外围。结合已知矿区的航磁异常特征，快速进行矿区外围及有利地带的延伸区域的航磁测量，对矿区潜在矿产资源进行评价。

（3）地表强干扰地区：在村庄、城市、电线等人文干扰较多的地区，地面仪器受强干扰不能正常工作，开展低空航磁测量，消除地表干扰异常，有利于提取深部或者盲矿体相关异常信息。

（4）设备轻巧、方便随身携带，有利于设备进出口及海关出入，有利于推进“一带一路”国家战略的矿产资源调查评价。

本文主要研究的轻型无人机航磁调查，包括多旋翼无人机航磁系统和垂起固定翼无人机航磁系统，垂起固定翼主要针对大面积的中大比例尺的快速高效的航磁测量，然后针对重点靶区异常或者高山区，再进行超低空高分辨率的多旋翼航磁精细测量，两种航磁系统结合应用，从而实现轻型无人机航磁调查的快速找矿突破。