張文杰，楊生，郭剛，冀新臣，楊申勇

（有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心，北京 100012）

0 引言

中高山、地貌復(fù)雜地區(qū)的礦產(chǎn)勘查難度大、工作程度低，然而也是我國金屬礦產(chǎn)的重要勘查接替區(qū)（周道卿等,2013），為了研究一種快速有效的找礦勘查手段，有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心在自研發(fā)傳統(tǒng)動力三角翼航磁系統(tǒng)基礎(chǔ)上（王慶乙等,2010），進(jìn)一步研發(fā)集成了以多旋翼和垂起固定翼無人機(jī)為飛行平臺的輕型無人機(jī)航磁調(diào)查系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要針對中高山、地貌叢林發(fā)育等人力極難開展工作的復(fù)雜地區(qū)，采用沿地形起伏仿地飛行測量方式，獲取高分辨率、高質(zhì)量的航磁數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)大比例尺高精度低空航磁精細(xì)測量，最重要的是不會因超低空飛行事故造成人員傷亡（熊盛青,2007）。本文通過在云南個舊和河南嵩縣廟嶺的典型高山、地貌發(fā)育特征的地區(qū)進(jìn)行了輕型無人機(jī)航磁調(diào)查實(shí)踐，獲取了豐富的高精度航磁數(shù)據(jù)信息，為礦山深部及外圍找礦預(yù)測提供了可靠依據(jù)。

1 無人機(jī)航磁系統(tǒng)現(xiàn)狀

1.1 國外現(xiàn)狀

（1）固定翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)

無人機(jī)航磁系統(tǒng)的發(fā)展主要受制于無人機(jī)和航磁磁力儀的發(fā)展進(jìn)度，目前國際上主流固定翼無人機(jī)航磁技術(shù)主要是荷蘭的Fugro公司的Georanger無人機(jī)航磁系統(tǒng)、英國Magsurvey公司的PrionUAV無人機(jī)以及加拿大萬能翼地球物理公司的Venturer無人機(jī)（崔志強(qiáng)等,2019）。以上均屬于彈射式中大型固定翼無人機(jī)，搭載重量較大的光泵磁力儀，優(yōu)點(diǎn)是單架次全自主飛行續(xù)航時間長（1～20 h不等），光泵磁力儀精度質(zhì)量高；缺點(diǎn)是設(shè)備機(jī)動性相對差、對飛機(jī)起降環(huán)境要求高、沿地形起伏飛行能力差、飛行高度高以及成本費(fèi)用高等。

（2）多旋翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)

多旋翼無人機(jī)對比固定翼無人機(jī)可以懸停變高隨地形起伏飛行，具備完全的超低空飛行測量能力。當(dāng)前主要是德國MGTUAS無人機(jī)航磁系統(tǒng)（吳珊等,2017），搭載航空三軸磁通門進(jìn)行飛行測量，主要應(yīng)用于未爆彈檢測、管道跟蹤等淺部埋藏物。磁通門受姿態(tài)變化影響較大，在無人機(jī)起伏變高飛行時，儀器記錄數(shù)據(jù)誤差較大且無法完全補(bǔ)償校正，因此不適應(yīng)于高山復(fù)雜地區(qū)的變高飛行測量。

1.2 國內(nèi)現(xiàn)狀

國內(nèi)的無人機(jī)航空物探研究雖起步較晚，但進(jìn)步很快。先后有中船重工第七一五研究所、中科院遙感所、自然資源部航遙中心、地科院物化探所等單位開展了基于固定翼或直升機(jī)的無人機(jī)航磁測量技術(shù)的研究工作（崔志強(qiáng)等,2015）。

2008年，中船重工715所最早開始了基于大載荷無人直升機(jī)平臺的航磁系統(tǒng)研究，采用的是V750無人直升機(jī)，搭載氦光泵磁力儀（GB-10），隨后，中科院遙感所采用自行研發(fā)的航模型固定翼無人機(jī)搭載氦光泵磁力儀在內(nèi)蒙古進(jìn)行了系統(tǒng)應(yīng)用測試。2011年自然資源航遙中心采用ASN-216多用途無人駕駛飛機(jī)搭載氦光泵磁力儀進(jìn)行了航磁測量的系統(tǒng)研制和試驗(yàn)，該航磁系統(tǒng)為高空無人機(jī)航磁探測系統(tǒng)。2011年，國家深部探測技術(shù)與實(shí)驗(yàn)研究專項(xiàng)子項(xiàng)目固定翼無人機(jī)航磁勘探系統(tǒng)（SinoProbe-09-03）研制成功（黃大年等,2012）。2013年，地科院物化探所基于國產(chǎn)彩虹3長航時固定翼無人機(jī)平臺，搭載CS-VL銫光泵磁力儀及航空伽瑪能譜儀（李軍峰等,2014），在多寶山礦區(qū)實(shí)施了無人機(jī)綜合測量應(yīng)用試驗(yàn)。受制于固定翼無人機(jī)的飛行性能特點(diǎn)，航磁作業(yè)不能進(jìn)行超低空沿地形起伏飛行測量，僅適用于大面積、地勢平坦區(qū)域的航磁調(diào)查；旋翼無人機(jī)可沿地形起伏飛行，但大載荷無人機(jī)的可靠穩(wěn)定性以及磁干擾補(bǔ)償方面還有待發(fā)展提高。

依托自有動力滑翔機(jī)航磁系統(tǒng)的基礎(chǔ)優(yōu)勢（王慶乙等,2010;楊生等,2017），有色金屬礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查中心從2016年開始啟動無人機(jī)航磁系統(tǒng)的研發(fā)及應(yīng)用試驗(yàn)，力求避免有人機(jī)的人員傷亡危險，真正實(shí)現(xiàn)超低空沿地形起伏飛行、高效便捷的高分辨率航磁測量系統(tǒng)。在中國地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心的大力支持下，將研發(fā)試驗(yàn)成功的多旋翼無人機(jī)航磁和垂起固定翼無人機(jī)航磁應(yīng)用到礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查項(xiàng)目，并取得較好效果，航磁系統(tǒng)見圖1。

圖1 多旋翼航磁（a）與垂起固定翼航磁（b）系統(tǒng)

2 輕型無人機(jī)航磁系統(tǒng)

2.1 多旋翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)

2.1.1 系統(tǒng)組成

多旋翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)由大疆M600Pro六軸多旋翼無人機(jī)和鉀光泵磁力儀組成。

M600Pro六軸多旋翼無人機(jī)最大起飛重量15.5 kg，最大載荷5.5 kg，無需跑道或?qū)Ｓ脠龅乇憧梢源怪逼鸾担w行速度一般在0～50 km/h，具有強(qiáng)大的飛行靈活性，可適用于地形比較復(fù)雜的中高山區(qū)沿地形起伏飛行，如果地形數(shù)據(jù)準(zhǔn)確且無地面人工設(shè)施干擾，多旋翼無人機(jī)航磁可沿地形5～30 m高度進(jìn)行高分辨率航磁測量，甚至可以替代地面高精度磁測。

系統(tǒng)搭載高精度銣光泵磁力儀，分辨率達(dá)0.0001 nT，采樣率1～10/s，地面靜態(tài)噪聲水平約0.01 nT。整套平臺系統(tǒng)以6～10 m/s速度飛行，續(xù)航約15～20 min。

2.1.2 系統(tǒng)磁干擾測試

磁力儀和無人機(jī)通過硬連接探桿方式進(jìn)行總裝集成，探頭安裝位置采用遠(yuǎn)離無人機(jī)方式規(guī)避機(jī)體磁干擾（張龍偉等,2016），為此進(jìn)行了無人機(jī)干擾異常測量試驗(yàn)。選取一塊磁測平穩(wěn)周圍無干擾的10 m×10 m的區(qū)域，以0.5 m為間隔進(jìn)行網(wǎng)格化，首先測量沒有無人機(jī)的背景磁場強(qiáng)度，再將無人機(jī)放置中心位置，將測量探頭保持飛機(jī)同一高度測量飛機(jī)平面干擾異常，經(jīng)日變改正后，無人機(jī)網(wǎng)格異常和背景場的差值為無人機(jī)的干擾平面異常，如圖2所示。

圖2 大疆M600Pro無人機(jī)的干擾磁異常平面圖

多旋翼機(jī)體干擾主要發(fā)散分布在半徑1 m范圍內(nèi)，干擾幅值約60～70 nT，距離無人機(jī)中心3 m左右基本上規(guī)避了無人機(jī)的磁干擾，將銣光泵探頭安裝在距離中心4 m的位置，解決了干擾源問題；另外，在無人機(jī)往返飛行測量時，保持多旋翼探桿始終保持一個方向，這樣解決了多旋翼航磁的測量方向差問題。

無人機(jī)在飛行過程中電機(jī)高速轉(zhuǎn)動，為了分析飛行狀態(tài)下電機(jī)對探頭的磁干擾，進(jìn)行了靜止啟動飛行的測量實(shí)驗(yàn)（圖3）。

圖3 輕型多旋翼無人機(jī)的靜止和動態(tài)磁干擾曲線

由圖3可以看出，飛機(jī)由靜止到啟動前數(shù)據(jù)平穩(wěn)，啟動瞬間由于飛機(jī)動作變化，探頭姿態(tài)變化造成近2 nT的異常擾動，待飛機(jī)平衡穩(wěn)定后磁場數(shù)據(jù)恢復(fù)平穩(wěn)，隨著飛機(jī)起飛，飛機(jī)平穩(wěn)飛行后數(shù)據(jù)曲線圓潤平滑變化，動態(tài)噪聲約0.05 nT，該狀態(tài)的磁力儀工作質(zhì)量滿足規(guī)范的一級質(zhì)量要求。

2.1.3 系統(tǒng)試驗(yàn)及對比效果

2018年開始，經(jīng)過一系列性能測試和飛行試驗(yàn)后，2019年初，項(xiàng)目組在動力三角翼航磁示范區(qū)——遼寧青城子礦集區(qū)進(jìn)行了多旋翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)試驗(yàn)，通過和已有滑翔機(jī)航磁測量結(jié)果的對比，評價系統(tǒng)性能。試驗(yàn)成果見圖4。

圖4 多旋翼無人機(jī)在遼寧青城子礦區(qū)對比試驗(yàn)（磁異常地質(zhì)圖范圍一致）

試驗(yàn)區(qū)面積5 km2，地形最大高差300 m，線距100 m。多旋翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)測量結(jié)果和以往的航磁結(jié)果異常格局完全一致，磁異常和已知的二長花崗巖體分布位置吻合。但因以往航磁飛行離地高度約140 m，而無人機(jī)飛行離地高度約80 m且沿地形起伏飛行，所以無人機(jī)的航磁成果分辨率更高，對異常的刻畫更清晰，反映弱異常能力和異常幅度更強(qiáng)。典型對比剖面P15線的磁測曲線明顯反映了無人機(jī)航磁的細(xì)節(jié)分辨好于滑翔機(jī)，由于飛行高度更低，將滑翔機(jī)的一個低緩異常分解為兩個磁異常，且幅值更強(qiáng)。

本次對比試驗(yàn)搭載的鉀光泵磁力儀整套系統(tǒng)裝置的重量最終精簡到4 kg，多旋翼無人機(jī)飛行續(xù)航控制在15至20分鐘內(nèi)，地形起伏情況下單架次控制測線往返共4 km，測量效率一般；另一方面，高精度鉀光泵航空磁力儀較傳統(tǒng)氦光泵及銫光泵的測量精度更高，價格成本較高，如果無人機(jī)摔機(jī)的情況下造成幾十萬甚至上百萬的風(fēng)險損失很大。因此，項(xiàng)目組尋求一種質(zhì)量更小、綜合成本更低的磁力儀，經(jīng)過系列的實(shí)驗(yàn)測試，三軸磁通門測量數(shù)據(jù)未能滿足航磁規(guī)范技術(shù)要求。最終，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，選用體積質(zhì)量更小的微型銣光泵磁力儀，地面靜態(tài)噪聲水平約0.01 nT，空中動態(tài)噪聲水平小于0.08 nT，分辨率達(dá)0.0001 nT，航磁設(shè)備不含連接線大約600 g，整體系統(tǒng)裝置累計(jì)不超過1.5 kg。

因以往航磁飛行離地高度約140 m，而無人機(jī)飛行離地高度約70 m且沿地形起伏飛行，所以多旋翼無人機(jī)的航磁異常分辨率更高，對局部異常的刻畫更清晰，反映弱異常能力和異常幅度更強(qiáng)，以往航磁異常幅值-80～200 nT，無人機(jī)航磁為-160～340 nT，如圖5所示（圖中a、b磁異常同一色階）。

圖5 輕型多旋翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)在河南廟嶺地區(qū)試驗(yàn)對比

2.2 垂起固定翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)

固定翼無人機(jī)主要適用于大面積更安全更高效的快速航磁測量。受制于多旋翼的續(xù)航時間及飛行速度，多旋翼航磁主要適用于小面積的高山復(fù)雜地區(qū)大比例尺高分辨率的精細(xì)航磁調(diào)查；為了避免三角翼航磁的人員安全風(fēng)險，針對大面積大比例中高山地區(qū)，開發(fā)集成了垂起固定翼無人機(jī)航磁。采取和多旋翼一樣的測量方式獲取了垂起固定翼無人機(jī)（縱橫大鵬007）的磁干擾場，由圖6看出，大鵬垂起無人機(jī)的磁干擾主要集中在后推槳發(fā)動機(jī)和機(jī)翼舵機(jī)部分，磁干擾達(dá)-300～300 nT。

圖6 輕型垂起固定翼無人機(jī)的磁干擾平面圖

將探頭盡量遠(yuǎn)離機(jī)體，安裝在機(jī)頭支架1.2 m處，但仍然有2 nT左右的磁干擾，另一方面，固定翼無人機(jī)無法像多旋翼一樣避免航磁轉(zhuǎn)向差，所以采用三軸磁通門軟補(bǔ)償方式進(jìn)行光泵磁力儀補(bǔ)償。無人機(jī)的機(jī)動動作補(bǔ)償是固定翼航磁系統(tǒng)發(fā)展的重點(diǎn)難點(diǎn)，項(xiàng)目組和相關(guān)單位合作，根據(jù)固定翼的特點(diǎn)將機(jī)動補(bǔ)償集成了到無人機(jī)的飛行控制程序。在一個平穩(wěn)磁場區(qū)上方800 m高空，按照四邊俯仰、滾轉(zhuǎn)、偏航動作計(jì)算出磁補(bǔ)償參數(shù)，補(bǔ)償后標(biāo)準(zhǔn)差為±0.05 nT。

為了對該系統(tǒng)進(jìn)行應(yīng)用試驗(yàn)與評價，在內(nèi)蒙古克什克騰北部礦集區(qū)以往航磁測區(qū)進(jìn)行飛行對比實(shí)驗(yàn)。測量面積24 km2，線距100 m，試驗(yàn)區(qū)溝谷發(fā)育，高差達(dá)200 m；無人機(jī)平均飛行離地高度約110 m，以往航磁平均為145 m,如圖7所示。

圖7 輕型垂起固定翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)在內(nèi)蒙古的測量對比試驗(yàn)

最終的無人機(jī)航磁異常與以往航磁成果基本吻合，由于無人機(jī)設(shè)計(jì)航線為沿地形起伏，而以往航磁飛行離地高度不均勻離散程度高，無人機(jī)的航磁異常細(xì)節(jié)更豐富、分辨率更高。

為了分析固定翼無人機(jī)在飛行狀態(tài)下電機(jī)等機(jī)體對磁探頭的磁干擾，研究了靜止啟動飛行的測量實(shí)驗(yàn)，由圖8可以看出，飛機(jī)起飛前數(shù)據(jù)平穩(wěn)，飛機(jī)啟動后以最大轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)垂起電機(jī)和后推電機(jī)，疊加環(huán)境磁干擾僅40 nT，垂直升空后進(jìn)入平飛狀態(tài)，此時航磁數(shù)據(jù)曲線平滑圓潤，動態(tài)噪聲在0.06 nT以內(nèi)。本套輕型垂起固定翼無人機(jī)基本可以在低山區(qū)做到沿地形起伏飛行測量，飛高控制在100 m左右。

圖8 輕型垂起固定翼無人機(jī)的靜止動態(tài)磁干擾曲線

3 輕型無人機(jī)航磁應(yīng)用前景

3.1 應(yīng)用案例

3.1.1 工作區(qū)概況

“云南個舊錫礦礦集區(qū)礦產(chǎn)地質(zhì)調(diào)查”為地質(zhì)調(diào)查局發(fā)展研究中心的找礦勘查預(yù)測項(xiàng)目，目的是探尋隱伏巖體。工作區(qū)地形陡峭，切割較深，植被發(fā)育，最大高差600 m，地面人力、物探工作極難開展，傳統(tǒng)航磁方法無法在測區(qū)完成低空沿地形起伏飛行測量。區(qū)內(nèi)大部分巖漿巖均隱伏于地下，地表以灰?guī)r、泥質(zhì)巖、白云巖以及千枚巖等弱磁性巖石地層為主，區(qū)內(nèi)強(qiáng)磁巖性（礦物）主要有夕卡巖、部分花崗巖、玄武巖以及磁黃鐵礦（曾茜等,2016）。

3.1.2 測量方法技術(shù)

工作區(qū)地形復(fù)雜、切割大，采用多旋翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)沿地形起伏飛行測量。根據(jù)高精度10 m誤差的衛(wèi)星地形數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)仿地飛行航線和野外工作現(xiàn)場如圖9所示，線距100 m，無人機(jī)飛行速度8 m/s，采樣率5 Hz，平均點(diǎn)距不到2 m，平均飛行離地高度115 m，重復(fù)線總均方誤差計(jì)算航磁總精度為3.2 nT。每個架次可飛行有效測線6 km，即往返兩條3 km的測線，為節(jié)約電池續(xù)航，車載無人機(jī)轉(zhuǎn)移到測線端點(diǎn)，每個移動起降站最多可控制8個架次，即48 km的測量長度。

圖9 多旋翼無人機(jī)的航線規(guī)劃（a）與野外飛行工作照（b）

3.1.3 異常解釋和主要成果

圖10a是部分測區(qū)的航磁化極異常圖，圖10b為對應(yīng)地質(zhì)圖，測區(qū)中間第四系部分后期改造為尾礦庫，和航磁異常M7對應(yīng)吻合；M6異常規(guī)模約3 km2，地表出露地層巖性為灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖，均為無磁、微弱磁性物質(zhì)，根據(jù)磁化率切片剖面（圖10c）、構(gòu)造和重力特征推斷M6異常為隱伏變質(zhì)玄武巖引起。該區(qū)銅錫多金屬礦和變質(zhì)玄武巖關(guān)系密切，因此M6異常所揭示的隱伏變質(zhì)玄武巖體是較好的找礦預(yù)測標(biāo)志，也是本次無人機(jī)航磁測量的重要成果。

圖10 多旋翼無人機(jī)航磁在云南個舊地區(qū)的測量應(yīng)用

3.2 應(yīng)用前景

地表礦、淺部礦、易識別礦在逐漸減少，并且我國的鐵礦、多金屬礦區(qū)以及重點(diǎn)成礦靶區(qū)大多為地形復(fù)雜的中高山區(qū)，地面施工困難，礦區(qū)及外圍的地質(zhì)和物探研究程度并不高。我國的航空物探勘查為20世紀(jì)70年代前后開展的固定翼航空磁測，定位精度較低，測量比例尺多為1∶20萬，少數(shù)為1∶5萬，且飛行高度較大，很可能遺漏許多有找礦意義的異常（熊盛青等,2008）。因此，開展高精度無人機(jī)航空物探測量十分必要。將輕型無人機(jī)航磁調(diào)查系統(tǒng)的主要適用概況為以下幾個方面：

（1）特殊景觀區(qū)、中高山地形起伏大的地區(qū)：地磁工作極難開展，利用超輕型光泵航磁設(shè)備充分發(fā)揮多旋翼無人機(jī)的飛行特點(diǎn)，沿地形超低空仿地飛行測量，獲取高分辨率航磁數(shù)據(jù)。

（2）多金屬重點(diǎn)找礦區(qū)的大比例尺快速勘查：在礦區(qū)外圍發(fā)現(xiàn)一系列中大型金屬礦床屢見不鮮，例如遼寧青城子鉛鋅礦、江西德興銅礦外圍。結(jié)合已知礦區(qū)的航磁異常特征，快速進(jìn)行礦區(qū)外圍及有利地帶的延伸區(qū)域的航磁測量，對礦區(qū)潛在礦產(chǎn)資源進(jìn)行評價。

（3）地表強(qiáng)干擾地區(qū)：在村莊、城市、電線等人文干擾較多的地區(qū)，地面儀器受強(qiáng)干擾不能正常工作，開展低空航磁測量，消除地表干擾異常，有利于提取深部或者盲礦體相關(guān)異常信息。

（4）設(shè)備輕巧、方便隨身攜帶，有利于設(shè)備進(jìn)出口及海關(guān)出入，有利于推進(jìn)“一帶一路”國家戰(zhàn)略的礦產(chǎn)資源調(diào)查評價。

本文主要研究的輕型無人機(jī)航磁調(diào)查，包括多旋翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)和垂起固定翼無人機(jī)航磁系統(tǒng)，垂起固定翼主要針對大面積的中大比例尺的快速高效的航磁測量，然后針對重點(diǎn)靶區(qū)異常或者高山區(qū)，再進(jìn)行超低空高分辨率的多旋翼航磁精細(xì)測量，兩種航磁系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)輕型無人機(jī)航磁調(diào)查的快速找礦突破。

4 結(jié)論

無人機(jī)作為一種經(jīng)濟(jì)、高效、安全（無人員傷亡）的空中移動平臺，飛控平臺技術(shù)日趨成熟，在航空物探技術(shù)領(lǐng)域發(fā)揮的作用越來越大，航空物探設(shè)備也在向小型化、智能化方向發(fā)展。本文主要評述了有色地調(diào)中心輕型無人機(jī)航磁調(diào)查從研發(fā)到系統(tǒng)試驗(yàn)的實(shí)踐過程，并且在項(xiàng)目勘查中取得很好的應(yīng)用效果，主要總結(jié)如下：

（1）本文應(yīng)用的多旋翼無人機(jī)航磁設(shè)備為高精度光泵磁力儀，符合航空磁測技術(shù)規(guī)范質(zhì)量要求，有別于其他多旋翼航磁搭載的磁通門磁力儀；

（2）多旋翼無人機(jī)搭載超輕型光泵航磁系統(tǒng)可以采用嚴(yán)格的沿地形起伏飛行，真正實(shí)現(xiàn)了超低空高精度高分辨率航磁調(diào)查；

（3）垂起固定翼航磁系統(tǒng)改進(jìn)了飛控操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動機(jī)動姿態(tài)飛行補(bǔ)償，同時可進(jìn)行緩地形起伏飛行測量；

（4）系統(tǒng)設(shè)備較以往航磁設(shè)備輕便很多、場地條件要求低、成本低、風(fēng)險小、效率高，非常易于野外開展工作；

（5）垂起固定翼可完成大面積快速航磁普查，多旋翼進(jìn)行超低空高分辨率異常檢查或重點(diǎn)區(qū)精細(xì)測量，兩套系統(tǒng)配合完成航磁調(diào)查，能實(shí)現(xiàn)快速找礦突破。

（6）我國中高山地區(qū)、重點(diǎn)礦區(qū)及外圍礦產(chǎn)資源潛力巨大，大比例尺、高分辨率、沿地形起伏的高精度航磁調(diào)查工作可提供可靠的找礦依據(jù)，輕型無人機(jī)航磁調(diào)查系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。