于顯利，劉順安，劉佳琳

(1.吉林大學(xué)地球探測科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，吉林 長春 130026；2.吉林大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，吉林 長春 130022)

無人機(jī)是一種不載人的、可重復(fù)使用和具有自主飛行能力的飛行器，具有遙控和自主飛行兩種飛行模式[1]。無人機(jī)一般由機(jī)體骨架、動力系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、任務(wù)載荷系統(tǒng)、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等構(gòu)成。根據(jù)無人機(jī)搭載任務(wù)載荷尺寸和重量的不同，可以分為微型、小型、中型、大型、超大型無人機(jī)。無人機(jī)具有的優(yōu)點包括體積小、重量輕、可以在復(fù)雜地形起飛(發(fā)射)和著陸(回收)；可以搭載多種任務(wù)載荷在空中長時間飛行，可以執(zhí)行繁瑣的、重復(fù)性很高的飛行任務(wù)；可以在非常危險的環(huán)境下飛行；最重要的是不會造成人員的損失。正是由于無人機(jī)具有的這些優(yōu)點，所以目前無人機(jī)廣泛應(yīng)用于自然災(zāi)害預(yù)防與處理[2-3]、農(nóng)業(yè)資源監(jiān)測[4-5]、林業(yè)資源監(jiān)測[6]、科學(xué)觀測[7-8]、公安邊防、海事、石油、電力等領(lǐng)域。文獻(xiàn)[5]使用小型無人機(jī)直升機(jī)對農(nóng)田生長情況進(jìn)行觀測；文獻(xiàn)[7]使用四旋翼無人機(jī)對山體滑坡現(xiàn)場進(jìn)行科學(xué)觀測；文獻(xiàn)[8] 利用小型固定翼無人機(jī)對移動冰川進(jìn)行監(jiān)測。然而，這些應(yīng)用大多是地表層面的無人機(jī)遙感應(yīng)用，無人機(jī)對地殼及其地球深部物理探測方面的應(yīng)用，從國內(nèi)外文獻(xiàn)來看，介紹的不多。

隨著經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，我國現(xiàn)有資源已經(jīng)很難滿足經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需求，所以迫切需要尋找新的礦產(chǎn)資源。然而，我國地域遼闊，地質(zhì)條件復(fù)雜，很多有用的礦產(chǎn)資源大多分布在人跡罕至的山區(qū)、峽谷等區(qū)域。由于山區(qū)地形復(fù)雜，交通不便甚至沒有交通，導(dǎo)致地面物探工作往往很難開展。缺少飛行平臺是目前我國進(jìn)行復(fù)雜地形條件下物探數(shù)據(jù)獲取的主要瓶頸之一，而無人機(jī)技術(shù)的眾多特點，正好可以滿足這些需求。近年來，國際航空物探飛行平臺已有從傳統(tǒng)的有人機(jī)向無人機(jī)發(fā)展的趨勢。同時，航空物探測量設(shè)備的性能是否達(dá)到工作要求，也是限制無人機(jī)應(yīng)用于地球物理探測的一個重要因素。如果探測設(shè)備的性能參數(shù)達(dá)標(biāo)，那么無人機(jī)在地球物理探測上的應(yīng)用，將具有非常廣闊的應(yīng)用前景。

1 無人機(jī)在地球物理探測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在地球物理探測中，無人機(jī)作為一種適用于復(fù)雜地形條件下,高效率、高精度采集空間位場數(shù)據(jù)的重要手段，用來揭示地下位場場源分布規(guī)律。無人機(jī)通過搭載不同的任務(wù)載荷(磁力儀、重力儀、重力梯度儀、放射性探測儀、電磁線圈等)，可以實現(xiàn)無人機(jī)航磁、航重、航放、航空電磁的地球物理探測應(yīng)用。目前，無人機(jī)地球物理探測技術(shù)屬于國際前沿技術(shù)和研究熱點，只有美國、英國、以色列、加拿大、德國、法國等少數(shù)發(fā)達(dá)國家掌握其核心技術(shù)。

1.1 國外主要應(yīng)用

國外已經(jīng)將無人機(jī)技術(shù)廣泛地應(yīng)用到地球物理探測中的各個領(lǐng)域，并取得了良好效果，很大程度上提高了科學(xué)研究質(zhì)量。這些對中國的相關(guān)技術(shù)應(yīng)用，具有很好的借鑒作用。

英國的Magsurvey Limited公司提供無人機(jī)對地球磁場的探測服務(wù)。文獻(xiàn)[9]介紹了使用小型固定翼無人機(jī)搭載磁力儀對油氣和礦產(chǎn)資源進(jìn)行探測。指出使用小型固定翼無人機(jī)作為移動平臺的原因：①任務(wù)載荷-銫光泵磁力儀精度高、質(zhì)量輕(小于1kg)，小型無人機(jī)完全可以承載；②小型無人機(jī)可以近地飛行(飛行高度小于20m)，可以獲得更高精度的探測數(shù)據(jù)；③無人機(jī)搭載先進(jìn)的GPS/慣導(dǎo)系統(tǒng)、高度計以及控制精確的飛行控制系統(tǒng)，可以保證無人機(jī)按照規(guī)劃飛行路線精確飛行；④探測一般在夜間黑暗環(huán)境下進(jìn)行，降低太陽活動和環(huán)境噪聲對探測的干擾；⑤小型無人機(jī)相比載人飛機(jī),在機(jī)體材料上會采用數(shù)量更少、質(zhì)量更輕的非金屬復(fù)合材料，這樣機(jī)體產(chǎn)生的電磁和重力場對探測儀器的影響更小。

2004年，加拿大Fugro公司投資研發(fā)用于資源探測的無人機(jī)航磁系統(tǒng)GeoRanger，用于沿海和偏遠(yuǎn)地區(qū)的石油和礦產(chǎn)勘查。該無人機(jī)系統(tǒng)，近期已進(jìn)入試飛階段。該無人機(jī)翼展3m，機(jī)身重量15kg，在巡航速度100km/h下，續(xù)航時間可以超過15h。該無人機(jī)搭載銫蒸汽磁力儀和飛行補(bǔ)償裝置，該裝置用來降低機(jī)身運動對探測數(shù)據(jù)的干擾[10]。

1.2 國內(nèi)主要應(yīng)用

在國內(nèi)，無人機(jī)在地球物理探測方面的應(yīng)用起步較晚，仍處于研發(fā)階段，與國際水平相比差距很大。隨著國家對能源戰(zhàn)略的重視，做好自有能源的勘查和能源儲備被提上議事日程。所以,我國正在不斷加大力度支持無人機(jī)技術(shù)在資源探測方面的應(yīng)用，并取得了較大的進(jìn)展。2010年，中南大學(xué)何繼善院士主持完成了小型無人直升機(jī)探礦技術(shù)，為我國補(bǔ)償鐵礦石來源提供技術(shù)支持[11]。該無人機(jī)搭載質(zhì)子旋進(jìn)磁力儀，可以對地面下的鐵礦有很好的探測效果。由于小型無人直升機(jī)非常適合在復(fù)雜的山區(qū)地形飛行，同時具有探測速度快、探測效率高、無人員傷亡的特點，所以非常適合山區(qū)探礦。2011年，國家地球深部探測專項Sinoprobe-09-03固定翼無人機(jī)航磁探測系統(tǒng)研制子項目,對搭載航空磁力儀的固定翼無人機(jī)進(jìn)行了試飛，取得了良好的試驗數(shù)據(jù)。該項目致力于高低空固定翼無人機(jī)航磁探測系統(tǒng)的開發(fā)，重點攻關(guān)核心傳感器、固定翼低磁無人機(jī)、磁干擾補(bǔ)償、系統(tǒng)集成等關(guān)鍵技術(shù)[12]。該項目正處于研發(fā)和攻關(guān)階段，相信不久就可以推出我國首個固定翼低磁無人機(jī)航磁探測系統(tǒng)，為我國深部科學(xué)探測和礦產(chǎn)資源勘探提供一種安全高效的探測工具。

2 無人機(jī)在地球物理探測中的應(yīng)用方法

無人機(jī)按照機(jī)體產(chǎn)生升力方式,可分為固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)和無人飛艇。這三種無人機(jī)各有其優(yōu)缺點:①固定翼無人機(jī),具有飛行速度快、飛行穩(wěn)定性好的優(yōu)點，所以它一般適用于平坦區(qū)域的地球資源勘探；由于固定翼無人機(jī)存在失速問題，所以它的最小飛行速度一般都挺大，不適于要求以很低速度進(jìn)行飛行的探測需要。②旋翼無人機(jī)，主要指無人直升機(jī)，它可以以很慢的速度飛行，甚至可以在空中懸停，所以旋翼無人機(jī)一般適用于地形比較復(fù)雜、要求飛行速度慢、跟隨地形飛行的場合；缺點是續(xù)航時間較短，機(jī)身振動較大，對探測儀器的抗震性能要求較高。③無人飛艇利用自身的浮力，需要很小的動力輸出就可以在空中懸停和飛行，在環(huán)境風(fēng)速較低的情況下，可以非常平穩(wěn)地飛行;由于耗能少，所以無人飛艇的續(xù)航時間一般很長；適用于探測時間長和飛行速度慢的地球物理探測情況；缺點是體積大，受環(huán)境氣流影響較大，抗風(fēng)能力較差；由于自身慣性大，受控后的反應(yīng)時間較長。

在實際勘探過程中，根據(jù)勘探環(huán)境和技術(shù)指標(biāo)不同，選擇合適的無人機(jī)平臺來完成任務(wù)，可以較好地保證勘探任務(wù)的完成質(zhì)量，提高探測效率。

3 無人機(jī)應(yīng)用于地球物理探測存在的問題

3.1 無人機(jī)本身

無人機(jī)本身就是一個非常復(fù)雜的系統(tǒng)，集材料、飛行控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)鏈、動力系統(tǒng)等于一身，任何一部分出現(xiàn)問題,都會影響無人機(jī)在地球物理探測中的應(yīng)用。如何提高無人機(jī)的續(xù)航時間、飛行控制和任務(wù)管理智能化、任務(wù)載荷重量、惡劣環(huán)境飛行適應(yīng)性,是無人機(jī)能否廣泛應(yīng)用于地球物理探測的一個重要因素。

3.2 地球探測設(shè)備

無人機(jī)只是一個空中移動平臺，而其搭載的地球物理探測設(shè)備,才是進(jìn)行地球物理探測的核心工具。只有地球物理探測設(shè)備的性能指標(biāo)都過關(guān)，我們才有可能獲得地球物理場的真實數(shù)據(jù)。然而,在物探設(shè)備的研發(fā)上,我國和國外先進(jìn)水平還存在不小的差距，所以地球物理探測設(shè)備的研發(fā)任重道遠(yuǎn)。

3.3 耦合因素

地球物理探測設(shè)備的性能參數(shù)都滿足探測需要后，還有一個問題很重要，探測設(shè)備能否在無人機(jī)飛行環(huán)境下穩(wěn)定地工作。即無人機(jī)平臺本身的電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)、飛行中機(jī)體與空氣摩擦產(chǎn)生的靜電場、空中湍流產(chǎn)生的機(jī)身振動等，這些因素都會對探測設(shè)備產(chǎn)生不利影響。雖然機(jī)載穩(wěn)定平臺可以有效地降低機(jī)身振動對探測設(shè)備的影響，但是如何降低或消除機(jī)體施加的靜電場、電磁場以及重力場干擾是一個需要解決的問題。

4 結(jié)束語

本文介紹了國內(nèi)外無人機(jī)在地球物理探測上的應(yīng)用現(xiàn)狀，給出了固定翼無人機(jī)、旋翼無人機(jī)和無人飛艇在資源勘探應(yīng)用上的特點；介紹了無人機(jī)應(yīng)用于地球物理探測存在的主要問題?？偟膩碚f，無人機(jī)是一種高效的探測移動平臺，具有有人機(jī)無法比擬的低功耗、靈活、低風(fēng)險特性，是有人航空物探的理想替代工具。隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)持續(xù)增長，對各種礦產(chǎn)、石油、天然氣資源的迫切需求，相信無人機(jī)地球物理探測技術(shù)在我國資源勘探上具有廣闊的應(yīng)用前景。

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