胡 平,李文杰,李軍峰,孟慶敏,王緒本,陳曉東,劉瑩瑩

1)中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所,河北廊坊 065000;2)成都理工大學(xué),四川成都 610059

固定翼時(shí)間域航空電磁法(Fixed-wing Airborne Time-domain Electromagnetic Methods,縮寫(xiě)為FTEM)具有探測(cè)深度大、測(cè)量精度高的技術(shù)特點(diǎn),是我國(guó)急需的快速高效的大深度礦產(chǎn)勘查裝備技術(shù)。自20世紀(jì)50年代末INPUT系統(tǒng)問(wèn)世以來(lái),固定翼時(shí)間域航空電磁法方法、硬件研發(fā)的核心技術(shù)一直為美國(guó)、加拿大、澳大利亞等少數(shù)西方發(fā)達(dá)國(guó)家所掌握。目前,國(guó)外典型在用的商用 FTEM 系統(tǒng)有GEOTEM、MEGATEM、TEMPEST、SPECTREM等。這些系統(tǒng)普遍具有發(fā)射基頻低(25 Hz或30 Hz)、發(fā)射磁矩大(50×104～200×104Am2)、三分量寬帶接收(10～25 kHz)、全波形數(shù)字收錄等技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)(史密斯等,1997;李文杰等,2007)。FTEM系統(tǒng)被廣泛地應(yīng)用于地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)勘查、水資源調(diào)查、農(nóng)業(yè)土壤檢測(cè)、環(huán)境檢測(cè)等領(lǐng)域,加拿大的斯特勒湖(Sturgeon Lake,2000萬(wàn)噸)中型銅鋅銀礦床就是由剛問(wèn)世不久INPUT V系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的(周鳳桐,1982)。迄今為止,世界范圍內(nèi)由時(shí)域航電系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的各類塊狀硫化礦、金礦、金剛石礦等不勝枚舉。

為滿足我國(guó)地質(zhì)普查及礦產(chǎn)勘查的需求,國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)于2007年立項(xiàng)并啟動(dòng)了固定翼時(shí)間域航空電磁勘查系統(tǒng)研發(fā)課題。截至2011年年底,經(jīng)過(guò)近4年多的科研攻關(guān),課題組在專用飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)、大磁矩發(fā)射、三分量寬帶接收、實(shí)時(shí)全波形數(shù)據(jù)收錄等核心、關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進(jìn)展,研制成功了基于國(guó)產(chǎn)Y12IV型飛機(jī),具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)空中樣機(jī)。系統(tǒng)樣機(jī)成功完成了半航空試驗(yàn)試飛,穩(wěn)定性、可靠性、探測(cè)能力、性能指標(biāo)得到了全面驗(yàn)證,填補(bǔ)了我國(guó)在這一領(lǐng)域的技術(shù)空白。研究取得的主要進(jìn)展與成果如下。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

課題的總體任務(wù)目標(biāo)是最終研制實(shí)現(xiàn)最大500 m勘探深度的固定翼時(shí)間域航空電磁勘查系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)大的探測(cè)深度是課題首要和核心任務(wù)?？碧缴疃扰c被探測(cè)地質(zhì)條件、儀器裝置參數(shù)、環(huán)境背景噪聲等多種因素有關(guān)。為簡(jiǎn)化問(wèn)題的復(fù)雜性,一般可以用均勻半空間條件下瞬變電磁場(chǎng)的擴(kuò)散深度dZ來(lái)評(píng)價(jià)時(shí)間域電磁系統(tǒng)的勘探深度(Christiansen et al.,2009)。計(jì)算公式如下:

式中 σ為均勻半空間的電導(dǎo)率,Vnoise是儀器檢測(cè)到的可信任的最小二次場(chǎng)響應(yīng)(儀器噪聲水平),N為發(fā)射線圈匝數(shù),S是發(fā)射線圈單匝面積,I為發(fā)射電流,M=N·I·S為發(fā)射磁矩。

理論公式表明,勘探深度與磁矩的五次根成正比,與儀器噪聲水平的五次根成反比。顯然,增加探測(cè)深度的有效方法,要么是增大發(fā)射磁矩,要么提高信噪比,即降低儀器最小可檢測(cè)噪聲。根據(jù)上面的公式計(jì)算可知,探測(cè)深度增加一倍,需要將發(fā)射磁矩提高32倍,或者是將噪聲減小32倍。

增加發(fā)射磁矩,同時(shí)有效降低系統(tǒng)噪聲,是在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)時(shí)域固定翼航電系統(tǒng)時(shí)需要始終遵循的基本指導(dǎo)思想。此外,大收發(fā)距、低發(fā)射基頻、大發(fā)射脈寬等,都有利于實(shí)現(xiàn)更大的探測(cè)深度。

除上述磁矩、信噪比、系統(tǒng)其它主要參數(shù)等之外,對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)影響最大的因素就是飛機(jī)平臺(tái)的選擇。固定翼飛機(jī)平臺(tái)是時(shí)域航電系統(tǒng)的有機(jī)組成部分,飛機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo)直接影響時(shí)域航電系統(tǒng)關(guān)鍵性能指標(biāo)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。例如,大型飛機(jī)外形尺寸大、供電量大、載重量大,可以實(shí)現(xiàn)更大的發(fā)射磁矩,因而探測(cè)深度也大;大飛機(jī)平臺(tái)也有利于系統(tǒng)的升級(jí)和探測(cè)能力的擴(kuò)展。但是,大飛機(jī)的低空飛行性能不好,不利于探測(cè)性能的充分發(fā)揮;且其改裝設(shè)計(jì)成本、運(yùn)行成本高也是輕型飛機(jī)的數(shù)倍,乃至數(shù)十倍。

限于我國(guó)航空工業(yè)相對(duì)落后,備選的飛機(jī)平臺(tái)Y8四發(fā)大型飛機(jī)、Y7中型飛機(jī)和Y12IV型輕型固定翼飛機(jī)中,適合低空作業(yè)的僅有 Y12IV型飛機(jī)可用,其較低的改裝、運(yùn)行成本也在課題預(yù)算經(jīng)費(fèi)可接受范圍內(nèi)。

基于上述考慮,課題選用了國(guó)產(chǎn)Y12IV型輕型固定翼飛機(jī)作為載機(jī),并依據(jù)Y12IV型飛機(jī)提供的改裝條件,參考國(guó)外先進(jìn) FTEM 系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)及發(fā)展趨勢(shì),設(shè)計(jì)了系統(tǒng)性能指標(biāo)并制定了實(shí)施方案(李文杰等,2008),參見(jiàn)表1。由表1可見(jiàn),與國(guó)外同類型系統(tǒng)相比較,盡管Y12IV型飛機(jī)的載重量、供電量等改裝條件非常有限,實(shí)現(xiàn)大的發(fā)射磁矩和大探測(cè)深度困難重重,但時(shí)間域系統(tǒng)的各項(xiàng)設(shè)計(jì)性能指標(biāo)與國(guó)外類似系統(tǒng)(GEOTEM)的技術(shù)水平基本相當(dāng)。

表1 課題設(shè)計(jì)指標(biāo)、實(shí)現(xiàn)指標(biāo)與國(guó)外典型時(shí)域航電系統(tǒng)的對(duì)比Table 1 The design indices and realized indices of the project in comparison with the typical airborne time-domain electromagnetic system abroad

2 專用飛機(jī)改裝技術(shù)研究

時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)改裝對(duì)固定翼飛機(jī)氣動(dòng)外形影響巨大(如圖1所示),每一項(xiàng)細(xì)小的改裝設(shè)計(jì)都會(huì)直接影響飛機(jī)的安全及性能,類似的改裝在國(guó)內(nèi)航空界尚無(wú)先例。課題組基于國(guó)產(chǎn)Y12IV型輕型固定翼飛機(jī),依托哈爾濱飛機(jī)制造集團(tuán)飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所、哈飛航修有限公司、中國(guó)飛龍通用航空有限公司、南京航空航天大學(xué)等研究單位及企業(yè)科研力量,開(kāi)展了大量的時(shí)間域航空電磁探測(cè)系統(tǒng)改裝后的空氣動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算,試制了1:8.5時(shí)域航電飛機(jī)系統(tǒng)的金屬模型和1:2、1:8.5、1:20等不同比例尺接收吊艙模型,進(jìn)行了 400多小時(shí)的模型風(fēng)洞試驗(yàn),論證了Y12IV型飛機(jī)改裝時(shí)間域航空電磁探測(cè)系統(tǒng)的可行性。在解決了飛機(jī)安定性、阻力增加、發(fā)射線圈共振、接收吊艙拋放收起等氣動(dòng)難題后,最終完成了改裝方案設(shè)計(jì)。

在改裝方案及時(shí)間域航電系統(tǒng)任務(wù)目標(biāo)需求基礎(chǔ)上,開(kāi)展了Y12IV型時(shí)間域?qū)Ｓ蔑w機(jī)的改裝圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、機(jī)體加強(qiáng)件設(shè)計(jì)加工、前撐桿金屬件設(shè)計(jì)加工、后支撐尾筒、翼尖掛架、接收吊艙等特殊符合材料件設(shè)計(jì)加工等工作。發(fā)射線圈掛架可根據(jù)需要安裝1～6匝發(fā)射線圈,研制了專用的緊急情況可自動(dòng)切斷的接收吊艙電動(dòng)絞車(chē)收放系統(tǒng),研制了氣動(dòng)平穩(wěn)的水滴狀接收吊艙,固定翼飛機(jī)各項(xiàng)改裝工作進(jìn)展穩(wěn)定。

3 時(shí)域航電儀研制

3.1 大磁矩電磁發(fā)射技術(shù)研究

Y12IV型飛機(jī)只能提供約 5.6 kW 供電量、800 kg商載給時(shí)間域系統(tǒng)使用。供電量及商載僅分別為國(guó)外同類系統(tǒng)的約67%和57%,有限的供電量、商載,使得實(shí)現(xiàn)與國(guó)外系統(tǒng)相當(dāng)?shù)拇蟠啪匕l(fā)射異常困難(參見(jiàn)表1與GEOTEM系統(tǒng)的對(duì)比數(shù)據(jù))。課題組查閱了大量國(guó)內(nèi)外技術(shù)論文、專利等文獻(xiàn)資料,從各種相關(guān)領(lǐng)域的大功率應(yīng)用中汲取有益的技術(shù)信息,研發(fā)了超級(jí)電容間歇充放電、組合波發(fā)射等專利技術(shù),攻克了大磁矩發(fā)射的技術(shù)難題。

通過(guò)電子線路仿真分析及計(jì)算,研發(fā)了組合波發(fā)射技術(shù),解決了上升沿、下降沿及波形可控難題,實(shí)現(xiàn)了近似方波發(fā)射;研發(fā)了超級(jí)電容器升壓供電技術(shù),解決了大電流發(fā)射難題,實(shí)現(xiàn)最大 600 A峰值電流;研究了過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)技術(shù),解決了大功率長(zhǎng)時(shí)間發(fā)射可控性、穩(wěn)定性難題。發(fā)射機(jī)采用3D實(shí)體設(shè)計(jì)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了模塊化組裝調(diào)試,樣機(jī)制造工藝水平得到保證。

研制的準(zhǔn)諧振可控沿大磁矩發(fā)射樣機(jī),基頻25 Hz脈寬3.8 ms時(shí)峰值發(fā)射電流達(dá)到600 A,峰值磁矩達(dá)到508,000 Am2,下降沿1.2 ms;發(fā)射基頻有12.5 Hz、25 Hz、75 Hz,可供選擇。

3.2 高靈敏度三分量接收技術(shù)研究

高靈敏度寬帶三分量航空電磁感應(yīng)線圈接收技術(shù)在國(guó)內(nèi)是空白。課題組先后研制了數(shù)十套外形、線材、繞制方法、物理參數(shù)、電參數(shù)、靜電屏蔽技術(shù)各不相同的試驗(yàn)性感應(yīng)線圈傳感器,積累了大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn),最終研制成功輕量化幾何對(duì)稱三分量正交感應(yīng)線圈接收傳感器,三分量物理參數(shù)及電參數(shù)基本一致;解決了電屏蔽技術(shù)及最佳阻尼匹配技術(shù),研制的接收分系統(tǒng)帶寬達(dá)到0～20 kHz,等效接收面積20000 m2;研制了差動(dòng)放大低噪聲前置放大器及長(zhǎng)線傳輸驅(qū)動(dòng)電路;研發(fā)了三軸動(dòng)穩(wěn)避振技術(shù),解決了航空條件下接收傳感器避振技術(shù)難題,有效降低了接收線圈飛行過(guò)程中振動(dòng)噪聲的對(duì)系統(tǒng)測(cè)量性能的影響。

3.3 數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)研制

基于NI PXI總線架構(gòu)及工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的PXI數(shù)據(jù)采集卡,研制成功了一套具有通用性、擴(kuò)展性、性能穩(wěn)定可靠的工業(yè)級(jí)數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)。在LabWindows /CVI軟件平臺(tái)上,采用多線程技術(shù)編程,研發(fā)了實(shí)時(shí)性強(qiáng)、代碼繼承性好、易于升級(jí)及擴(kuò)展功能的數(shù)據(jù)收錄軟件ATEMDAQ v1.0版。

數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)的實(shí)時(shí)并行4通道數(shù)據(jù)采集分辨率達(dá)到24 bit,最大采樣率100 kHz,可全波形記錄X、Y、Z三分量二次場(chǎng)響應(yīng)信號(hào)和發(fā)射電流波形,實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)收錄、存儲(chǔ)速率≥4.0 GByte/Hr。該數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)的各項(xiàng)性能初步達(dá)到與同類系統(tǒng)相當(dāng)?shù)募夹g(shù)水平。

4 方法及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究

研究了時(shí)間域固定翼航空電磁一維和三維數(shù)值模擬方法,采用有限差分完成了時(shí)間域固定翼航空電磁一維、三維響應(yīng)規(guī)律的正演模擬,開(kāi)發(fā)了時(shí)間域固定翼航空電磁一維、三維正演程序。根據(jù)模擬的波場(chǎng)快照,分析了時(shí)間域固定翼航空電磁場(chǎng)的傳播特點(diǎn),給出了不同模型參數(shù)的響應(yīng)曲線;分析了時(shí)間域固定翼航空電磁一維、三維瞬變響應(yīng)規(guī)律,為系統(tǒng)設(shè)計(jì)和反演解釋提供理論支持。

圖1 Y12IV型時(shí)間域?qū)Ｓ蔑w機(jī)改裝效果圖Fig.1 Modific ation effects of Y121V type time-domain special aircraft

研究了時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù),包括濾波去噪處理、時(shí)間道抽取、疊加處理等。研究了小波域?yàn)V波、錐狀濾波、遞歸濾波、均值濾波、移動(dòng)平均濾波、Vondrak平滑濾波技術(shù),以及濾除雷電噪聲的組合濾波技術(shù),開(kāi)發(fā)了相應(yīng)程序。針對(duì)時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)疊加次數(shù)少的特點(diǎn),開(kāi)發(fā)了加權(quán)疊加、移動(dòng)疊加、帶通疊加等特殊的疊加技術(shù),有效提高了信號(hào)噪聲水平。研究了時(shí)間道抽取技術(shù),開(kāi)發(fā)了算數(shù)平均、幾何平均道內(nèi)疊加處理程序?；谏鲜鲅芯砍晒?開(kāi)發(fā)了ATEMDPS v1.0固定翼時(shí)間域航空電磁數(shù)據(jù)預(yù)處理程序。

開(kāi)展了時(shí)間域固定翼航空電磁快速成像方法研究,實(shí)現(xiàn)了基于擴(kuò)散深度成像的 CDI方法,完成了一維、二維模型成像算例。研究了Occam反演(毛立峰等,2008)、基于奇異值分解的阻尼最小二乘反演、自適應(yīng)正則化反演、飛行高度同時(shí)校正的反演(毛立峰等,2011)等三種反演方法。開(kāi)發(fā)了1.0版固定翼時(shí)間域航空電磁法資料處理與解釋程序。

圖2 時(shí)間域固定翼航空電磁勘查系統(tǒng)空中樣機(jī)Fig.2 Air prototype of the time-domain fixed-wing airborne electromagnetic system

圖3 發(fā)射電流波形Fig.3 Waveform of emission current

5 系統(tǒng)集成及半航空試飛試驗(yàn)

固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)空中樣機(jī)研發(fā)完成后,開(kāi)展了地面集成調(diào)試和測(cè)試,以及發(fā)射、接收、數(shù)據(jù)收錄等分系統(tǒng)在不同溫度環(huán)境下(?5～35)℃長(zhǎng)時(shí)間工作(≥5 h)的穩(wěn)定性、可靠性試驗(yàn)。

為檢驗(yàn)接收系統(tǒng)的工作性能,與Crone PEM地面時(shí)間域探頭進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn),相同測(cè)試條件下等效噪聲水平相當(dāng),響應(yīng)曲線基本一致。

圖4 時(shí)間域固定翼航空電磁勘查系統(tǒng)樣機(jī)半航空試驗(yàn)試飛Fig.4 Trial flight for semi-airborne test of time-domain fixed-wing airborne electromagnetic exploration system prototype

成功開(kāi)展了地面大磁矩發(fā)射、空中接收的偶極-偶極形式半航空試飛試驗(yàn),接收、數(shù)據(jù)收錄分系統(tǒng)在航空條件下工作可靠穩(wěn)定,無(wú)儀器故障返航;接收吊艙飛行平穩(wěn),氣動(dòng)設(shè)計(jì)得到了驗(yàn)證;共飛行 7架次約12個(gè)飛行小時(shí),取得了230 GB寶貴的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。發(fā)射分系統(tǒng)在地面發(fā)射500,000 Am2磁矩時(shí),接收分系統(tǒng)在300至600 m高度檢測(cè)到了清晰的大地二次場(chǎng)響應(yīng)信號(hào)(參見(jiàn)圖5),300 m高度可探測(cè)到鋪設(shè)在地表的短路線圈引起的人工異常。

時(shí)間域航空電磁探測(cè)系統(tǒng)空中樣機(jī)的各項(xiàng)性能指標(biāo),經(jīng)半航空驗(yàn)證滿足設(shè)計(jì)要求,具備了開(kāi)展固定翼全狀態(tài)空中調(diào)試、性能驗(yàn)證試飛的能力。

6 結(jié)論

圖5 實(shí)測(cè)不同高度大地二次場(chǎng)響應(yīng)曲線Fig.5 Measured telluric secondary field response curves at different heights

課題在50×104Am2大磁矩發(fā)射、接收吊艙氣動(dòng)外形設(shè)計(jì)、接收吊艙避振、輕量化低噪寬帶三分量感應(yīng)式傳感器研制、海量數(shù)據(jù)全波形實(shí)時(shí)收錄、飛機(jī)改裝等關(guān)鍵技術(shù)方面取得突破性進(jìn)展,成功研制了基于國(guó)產(chǎn)Y12IV型專用飛機(jī)的完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的大勘探深度時(shí)間域固定翼航空電磁勘查系統(tǒng)空中樣機(jī),使我國(guó)掌握了固定翼時(shí)間域航空電磁勘查系統(tǒng)研發(fā)的核心技術(shù),填補(bǔ)了我國(guó)在該領(lǐng)域的技術(shù)空白。課題共申請(qǐng)專利9項(xiàng)、軟件著作權(quán)3項(xiàng)、發(fā)表論文 8篇,培養(yǎng)和鍛煉了一支產(chǎn)學(xué)研科研隊(duì)伍,為最終研制成功適合我國(guó)國(guó)情、實(shí)用的大勘探深度固定翼時(shí)間域航空電磁勘查系統(tǒng)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。