陳偉，陳浩峰

摘 要：進(jìn)入21世紀(jì)，隨著我國經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展，現(xiàn)有礦產(chǎn)資源儲量已無法滿足其需求，需要更加快速的手段來尋找更多的礦產(chǎn)資源。無人機技術(shù)的快速發(fā)展，使得以無人機為飛行平臺的航空物探在礦產(chǎn)資源快速勘探中發(fā)揮越來越重要的作用。文章詳細(xì)介紹了固定翼無人機、旋翼無人機和無人飛艇這三類無人飛行器作為航空物探搭載平臺的研究現(xiàn)狀，并闡述了無人機航空物探發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：航空物探；無人機；發(fā)展趨勢

中圖分類號：P631 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）06-0191-02

Abstract： In 21th century， with the sustained and rapid development of China's economy， the existing reserves of mineral resources can no longer meet its needs， need more rapid means to find more mineral resources. With the rapid development of UAV technology， aerial geophysical exploration with UAV as flight platform plays an increasingly important role in the rapid exploration of mineral resources. In this paper， the research status of fixed wing UAV， rotor UAV and unmanned airship as aeronautical geophysical platform is introduced in detail， and the development trend of UAV aerogeophysical exploration is described.

Keywords： aeronautical geophysical exploration； UAV； development trend

引言

隨著地表礦、淺部礦、易識別礦的逐漸減少，國家提出了深部資源勘探計劃，這要求航空物探技術(shù)向更高分辨率、更大探測深度方向發(fā)展。而隨著無人機技術(shù)的快速發(fā)展，使得能夠解決大比例尺、高分辨率作業(yè)的航空物探技術(shù)有了一個新的發(fā)展方向——無人機航空物探。

與傳統(tǒng)的有人機航空物探相比，無人機航空物探裝備具有小型化、智能化、成本較低、續(xù)航能力強、夜間飛行等特點，特別是人員零傷亡具有突出的優(yōu)勢。此外，其運輸和使用的便捷性，超低空飛行能力以及能夠在復(fù)雜地形條件下進(jìn)行飛行測量等特點，使無人機航空物探在地質(zhì)調(diào)查、礦產(chǎn)資源勘探和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，國際上一些發(fā)達(dá)國家已研發(fā)出了一些較為成熟的商用無人機物探系統(tǒng)，取得了比較顯著的效果。國內(nèi)無人機航空物探現(xiàn)在還處在起步階段，無人機平臺與國外相比還存在不少的差距，但是進(jìn)步較快，部分自主技術(shù)已到達(dá)國際先進(jìn)水平。筆者主要對此作簡要介紹。

1 我國航空物探無人飛行平臺研究現(xiàn)狀

1.1 固定翼無人機航空物探

固定翼無人機作為目前發(fā)展無人機航空物探的主要飛行平臺，具有飛行速度快、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強等優(yōu)點，適用于大面積、地勢平坦區(qū)域的礦產(chǎn)資源勘探。

2009年，中國科學(xué)院遙感所使用航模型無人機，翼展3.5m，起飛重量30kg，采用輪式自主起降。系統(tǒng)集成的氦光泵磁力儀（GB-10），靜態(tài)噪聲水平10PT；完成了4000km測線的應(yīng)用測試。

2011年，國家深部探測技術(shù)與實驗研究專項子項目固定翼無人機航磁勘探系統(tǒng)（SinoProbe-09-03）研制成功。該項目針對復(fù)雜地形條件和探測空域需求，攻克智能化無人機飛行平臺研制的關(guān)鍵技術(shù)，研制出多種類型的航磁探測設(shè)備和高低空無人機搭載平臺，并自主開發(fā)高精度、高穩(wěn)定、高效的無人機自動飛行控制與導(dǎo)航系統(tǒng)，成功打破國外的技術(shù)壟斷[1]。

2013年，中國地質(zhì)科學(xué)院物化探所等單位聯(lián)合研發(fā)了國內(nèi)首套固定翼無人機平臺的航空物探（磁/放）綜合系統(tǒng)，該系統(tǒng)搭載在具有長航時的中型國產(chǎn)無人機彩虹3上，隨后在多寶山和克拉瑪依等地進(jìn)行了應(yīng)用試驗和試生產(chǎn)測量。該系統(tǒng)的航磁、航放測量項指標(biāo)滿足規(guī)范要求，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好，基本實現(xiàn)實用化，具備了推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前該系統(tǒng)已走出國門[2]。

2013年6月下旬，中國冶金地質(zhì)總局礦產(chǎn)資源研究院于冀東司家營-馬城沉積變質(zhì)型鐵礦帶成功開展固定翼無人機航空磁測系統(tǒng)試驗。航磁測量結(jié)果精確，與已知大比例尺地面磁測結(jié)果相吻合；此外還發(fā)現(xiàn)了兩處次一級磁異常，對冀東地區(qū)深部找礦具有重要意義。

1.2 旋翼無人機航空物探

旋翼無人機，主要指無人直升機，無需要跑道便可以垂直起降，飛行速度可以很慢，起飛后可以在空中懸停，飛行速度一般在0～50km/h之間。因其強大的靈活性，一般適用于地形比較復(fù)雜、需隨地形起伏飛行的勘探場合，是發(fā)展無人機航空物探的新方向。

2008年，中船重工715所開始了基于無人直升機平臺的無人直升機航磁系統(tǒng)研究，采用V750無人直升機，最大起飛重量757kg，最大載荷80kg，巡航速度145km/h，續(xù)航時間4h，采用垂直起降，升限3000m；搭載RS-HGB10型無人機航磁測量系統(tǒng)，氦光泵磁力儀采樣率為10Hz，靜態(tài)噪聲水平10PT。

2010年，中南大學(xué)研制出一種搭載超低空質(zhì)子磁力儀的小型無人直升機磁測系統(tǒng)，該系統(tǒng)已成功在秘魯西部沿海地區(qū)進(jìn)行了大比例尺磁測飛行實驗，其效率明顯高于地面工作。

2011年，核工業(yè)二一六大隊楊鏡明等人研發(fā)了可以實現(xiàn)超低空高精度磁法測量裝置。該裝置將高精度磁力儀安裝在航模直升機上，使用遙控設(shè)備實現(xiàn)遙控超低空飛行磁測[3]。

2013年，吉林大學(xué)承擔(dān)了國家“863”計劃項目重載荷智能化物探專用無人直升機研制。

2016年，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院與航空企業(yè)合作研發(fā)中型無人直升機航磁系統(tǒng)，并對整套航磁系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行一系列的性能測試試驗，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，目前已取得初步成果，即將在已知礦區(qū)開展試驗飛行。

1.3 無人飛艇航空物探

無人飛艇是一種輕于空氣的航空器，艇體的氣囊內(nèi)充以密度比空氣小的浮升氣體（有氫氣或氦氣）借以產(chǎn)生浮力使飛艇升空，吊艙中安裝發(fā)動機提供部分的升力，尾面用來控制和保持航向、俯仰的穩(wěn)定。大型無人飛艇適用于探測時間長和飛行速度慢的地球物理探測。

2011年，江蘇省地質(zhì)勘查技術(shù)院成功研制了無人飛艇式航磁測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)在南京市溧水區(qū)開展了飛行試驗，試驗結(jié)果與地面測量基本一致，真實反映了試驗區(qū)的地質(zhì)-磁性特征，填補了國內(nèi)利用無人飛艇作為飛行平臺的航空物探技術(shù)空白。該院隨后在西非和國內(nèi)等地成功開展了多項無人飛艇航空磁測項目，其工作效率高、周期短、成本低等特點得到了充分的展示，驗證了飛艇式航空磁測系統(tǒng)成果的可靠性、安全性，是礦產(chǎn)資源勘查、地質(zhì)構(gòu)造研究等領(lǐng)域的一種快捷高效的勘探手段，具有良好的發(fā)展前景和優(yōu)勢。

2012年，吉林大學(xué)成功研制無人飛艇長導(dǎo)線源時域地空電磁勘探系統(tǒng)，并在內(nèi)蒙古巴彥寶力格地區(qū)進(jìn)行了電磁探測實驗，證明了地空電磁探測方法的有效性[4]。

2 發(fā)展趨勢

無人航空物探由于其靈活性、高效性、低風(fēng)險等特征，在基礎(chǔ)地質(zhì)調(diào)查，能源、金屬、非金屬礦產(chǎn)地質(zhì)勘查和水文、工程、環(huán)境地質(zhì)勘查中的航空物探測量中，起到越來越重要的作用。

無人飛行平臺是無人機航空物探的重要構(gòu)成，根據(jù)測量環(huán)境和任務(wù)綜合分析后選擇一個合適的無人飛行平臺，不僅可以提高航空物探勘查的精度和效率、節(jié)約飛行成本，而且還能確保生產(chǎn)飛行的安全，這對充分的發(fā)揮無人機航空物探勘查的技術(shù)優(yōu)勢起到至關(guān)重要的作用。所以，為了能夠更好地服務(wù)于未來地質(zhì)找礦的精細(xì)需要，針對不同的測量環(huán)境和勘查任務(wù)，航空物探無人飛行平臺的發(fā)展將會向著兩個主要方向進(jìn)行發(fā)展。

2.1 穩(wěn)定性好、載重大的大型無人飛行平臺

這類飛行器主要有大型無人直升機、大型固定翼無人機以及其他飛行器，如V750無人直升機、TD220無人直升機、彩虹4無人機等。大型無人飛行平臺能夠搭載大型儀器設(shè)備，如航空超導(dǎo)全張量磁梯度測量系統(tǒng)、大功率長導(dǎo)線源時間域航空電磁測量系統(tǒng)、航空放射性測量系統(tǒng)、航空重力梯度測量系統(tǒng)以及集成兩種以上航空物探方法的綜合測量系統(tǒng)等，可應(yīng)用在地質(zhì)找礦的重點成礦區(qū)帶和地質(zhì)研究工作的重點區(qū)域開展進(jìn)一步的勘探工作。

2.2 重量小、機動性強的小型無人飛行平臺

這類飛行器主要有小型固定翼無人機、小型無人直升機、多旋翼無人機以及其他飛行器，如ASN-216、MD4-1000等。以小型無人飛行器為平臺的航空物探主要以開展航空磁測工作為主，具有易于操控，起降場所不受限制等特點?？蓪崿F(xiàn)在中高山、高原、戈壁灘、沙漠等復(fù)雜危險地區(qū)開展大比例尺、高分辨率和高精度的地質(zhì)詳查工作。正是由于無人飛行器具有高效、快速、低風(fēng)險的特點，以此為平臺的航空物探，被越來越多地應(yīng)用到UXO探測、地質(zhì)勘查、環(huán)境治理等領(lǐng)域。如果能進(jìn)一步提高此類小型無人飛行平臺的續(xù)航時間、優(yōu)化飛行操控和智能化管理，將進(jìn)一步發(fā)揮該平臺的優(yōu)勢。

3 結(jié)束語

隨著我國低空空域的逐漸開放、通用航空業(yè)的蓬勃發(fā)展、導(dǎo)航定位系統(tǒng)精度的逐步提高以及航空物探儀器向小型化、智能化方向發(fā)展，具有低功耗、高效、靈活、低風(fēng)險特性的無人機航空物探技術(shù)必將在我國資源勘探領(lǐng)域迎來廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃大年，于平，底青云，等.地球深部探測關(guān)鍵技術(shù)裝備研發(fā)現(xiàn)狀及趨勢[J].吉林大學(xué)學(xué)報（地球科學(xué)版），2012，42（05）：1486-1495.

[2]李文杰，李軍峰，劉世凱，等.自主技術(shù)無人機航空物探（磁/放）綜合站研發(fā)進(jìn)展[J].地球?qū)W報，2014，35（4）：399-403.

[3]楊鏡明.遙控?zé)o人直升機搭載高精度磁力儀超低空磁測[J].中國地球物理，2013：689-690.

[4]嵇艷鞠，王遠(yuǎn)，徐江，等.無人飛艇長導(dǎo)線源時域地空電磁勘探系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].地球物理學(xué)報，2013，56（11）：3640-3650.

[5]徐觀來.地球物理勘探技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀與實際應(yīng)用研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（08）：35.