金久強(qiáng)，于長春，石磊，徐明，張京卯，郭亮，蔣久明

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

在“十三五”期間，我國航空物探系統(tǒng)集成技術(shù)取得令人矚目發(fā)展的同時，國外航空物探行業(yè)的變化正悄然發(fā)生，測量技術(shù)也在持續(xù)進(jìn)步[1-2]。無人機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步降低了行業(yè)門檻，傳統(tǒng)地面物探公司紛紛開始使用航空/半航空方法提高效率；航空磁梯度/張量測量系統(tǒng)蓬勃發(fā)展；時間域/頻率域電磁系統(tǒng)的發(fā)射功率繼續(xù)提高的同時，接收機(jī)的采樣率也在不斷提升[3]；航空重力梯度/重力標(biāo)量聯(lián)測技術(shù)的應(yīng)用使得航空重力測量的異常信號響應(yīng)波長實現(xiàn)了從百米級到萬米級的覆蓋，重力全張量系統(tǒng)性能得到了增強(qiáng)[4]；為無人機(jī)設(shè)計的小型化航空伽馬能譜設(shè)備也開始投入商業(yè)運(yùn)行。這為我們“十四五”的航空物探系統(tǒng)集成工作提供了一些新的方向，也提出了新的挑戰(zhàn)[5]。

1 航空磁測系統(tǒng)

磁標(biāo)量系統(tǒng)在航空物探領(lǐng)域有著最悠久的歷史，相關(guān)技術(shù)十分成熟，幾乎所有現(xiàn)存的航空物探企業(yè)都在一定程度上涉及航磁測量，尤其在多參量測量項目中大量應(yīng)用。磁測技術(shù)路線主要包括磁通門、超導(dǎo)和光泵技術(shù)，其中光泵技術(shù)目前在磁測技術(shù)中占據(jù)主流，也被用于其他學(xué)科[6]。使用多個磁標(biāo)量測量傳感器，合理地排布其空間位置，即可在測量磁標(biāo)量的同時實現(xiàn)磁梯度的測量。磁法在研究巖性結(jié)構(gòu)、斷裂成圖、尋找基本金屬和貴金屬礦、尋找金伯利巖及地理水文測繪等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

航空磁測系統(tǒng)的集成方式分為軟吊掛和硬支架兩種，固定翼飛機(jī)(除少數(shù)有垂直起降能力外)由于起降方式限制，采用軟吊掛方式需要加裝絞車，執(zhí)行起來比較復(fù)雜。目前依然存在的固定翼機(jī)型的磁測系統(tǒng)大多采用硬支架方式。而旋翼機(jī)不受起降方式的限制，無論軟吊掛還是硬架方式均易于實現(xiàn)。磁梯度信號對較近的目標(biāo)反應(yīng)靈敏，經(jīng)常被用于探測淺層人造物體和小規(guī)模地質(zhì)異常，其信號隨距離的衰減速度比磁標(biāo)量信號更快，所以需要更低的飛行高度，更適合使用低速小型飛行器執(zhí)飛。圖1展示了部分典型硬架磁測系統(tǒng)。

圖1 典型硬架磁測系統(tǒng)Fig.1 Examples of hard-mounted airborne magnetic survey systems

硬支架系統(tǒng)是航空磁測的主力軍，主要優(yōu)勢在于飛行器的姿態(tài)相比吊艙姿態(tài)更容易控制，測量過程中不會出現(xiàn)明顯的數(shù)據(jù)錯誤(如磁傳感器姿態(tài)失控導(dǎo)致的光泵磁力儀失鎖)，受氣流干擾較小，且對飛行速度沒有限制，飛行高度容易控制。

硬支架磁測系統(tǒng)的磁補(bǔ)償方法無論是集成于固定翼還是旋翼機(jī)，有人機(jī)還是無人機(jī)上，并無本質(zhì)區(qū)別。保持磁干擾源與探測器相對位置固定，通過Leliak方程等模型擬合飛行器姿態(tài)與磁干擾場的關(guān)系，得到固定的補(bǔ)償系數(shù)，再在實際測線中測量飛機(jī)姿態(tài)，最后使用擬合系數(shù)計算并減除該姿態(tài)下的理論磁干擾場。另外隨著慣導(dǎo)系統(tǒng)精度的提高，一些磁梯度系統(tǒng)也開始使用慣性元件進(jìn)行角度計算和修正[7]。

航空磁法吊艙系統(tǒng)相對易于布設(shè)。軟吊掛系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于，傳感器與飛行器干擾源的距離非常遠(yuǎn)，磁干擾場建模更加簡單，大多數(shù)情況下甚至可以被忽略。很多軟吊掛系統(tǒng)不需要飛行器供電，僅通過承重吊索與飛行器相連。吊艙系統(tǒng)在接觸輸電線、飛行時突發(fā)風(fēng)切變、飛行器誤入渦環(huán)等危及安全的特殊情況下，可通過手工或自動方式脫離飛行器，從而降低飛行器負(fù)載。其缺點(diǎn)在于，飛行器與軟吊艙組成的系統(tǒng)整體重心會向吊艙方向移位，吊艙較重時，整體重心甚至?xí)浦翙C(jī)體之外，不利于飛行器的機(jī)動性能。圖2展示了2款典型旋翼機(jī)軟吊磁標(biāo)量測量系統(tǒng)。

圖2 典型旋翼機(jī)軟吊磁標(biāo)量測量系統(tǒng)Fig.2 Examples of “towed-birds” for magnetic scalar surveys

得益于材料科學(xué)和傳感器技術(shù)的進(jìn)步，磁標(biāo)量測量吊艙的質(zhì)量逐漸降低。目前針對無人機(jī)設(shè)計的包括慣導(dǎo)、收錄和電池在內(nèi)的一套磁標(biāo)量吊艙測量系統(tǒng)質(zhì)量僅3 kg左右。相比有人機(jī)系統(tǒng)，這些無人機(jī)系統(tǒng)[8]的風(fēng)險承受能力較高，測量飛行高度可以非常低，一般測量時探測器離地只有10～30 m；初期布置成本也比較低，在通信可覆蓋的環(huán)境下可以配備實時差分GPS(RTK)并實時傳輸測量數(shù)據(jù)；因飛行速度慢，探測效率較低，一般作為地面測量的輔助而存在。

有無人機(jī)研發(fā)能力的公司在設(shè)計數(shù)據(jù)收錄系統(tǒng)時可以非常方便地讓二者共用GPS、慣導(dǎo)系統(tǒng)和高度表，進(jìn)一步降低整體的起飛質(zhì)量，如GEM公司自主設(shè)計制造了GEM Hawk無人直升機(jī)。另一些公司更加注重產(chǎn)品生命周期和開發(fā)成本，直接選用成熟的通用UAV平臺，能夠達(dá)到更好的飛行控制和環(huán)境適應(yīng)能力。如Devbrio公司在DJI600上集成的磁標(biāo)量吊艙，使用大疆公司技術(shù)體系下的三維導(dǎo)航功能，能夠在6 m/s風(fēng)速下保持測線并自動避障(抬高飛行高度)飛行。

國外磁梯度測量的公司對硬架系統(tǒng)與軟吊掛系統(tǒng)孰優(yōu)孰劣存在很大爭議。一些公司認(rèn)為，軟吊掛磁梯度測量方法的修正難度遠(yuǎn)低于硬架系統(tǒng)，是目前技術(shù)條件下解決磁梯度噪聲問題的最佳方案。如Scott Hogg & Assistants公司公開表示，使用基于Leliak方程的航磁標(biāo)量補(bǔ)償方法會殘留磁標(biāo)量誤差。這些誤差和錯誤值的量值很小，在磁標(biāo)量場測量項目中不構(gòu)成嚴(yán)重問題。但在梯度測量中，隨著飛行方向的改變，該誤差會不可避免地被傳遞和放大。即使梯度系統(tǒng)中所有標(biāo)量磁傳感器單獨(dú)的FOM值(即品質(zhì)因數(shù)，為磁補(bǔ)償后各方向所有動作殘留磁標(biāo)量誤差值之和，越小則代表數(shù)據(jù)質(zhì)量更佳，典型值一般在1 nT以上)在0.6 nT左右時，也可能會造成0.2 nT/m以上的與姿態(tài)和航向相關(guān)的高頻梯度噪聲和難以估計的低頻梯度誤差。而無磁的磁梯度吊艙系統(tǒng)誤差更低。通過在吊艙上加裝無磁或弱磁的慣性模塊和高度表來精確測量實時姿態(tài)，即可避免過度使用數(shù)學(xué)近似方法來調(diào)平改正數(shù)據(jù)，也能夠降低磁場上、下延誤差。

將各磁傳感器置于空間四面體頂點(diǎn)的排布方式比較常見，這種方式由于其良好的對稱性，在處理航向改正及磁補(bǔ)償時具有計算優(yōu)勢，包括SHA的“Heli-GT”(圖3a)、Triumph surveys的MTG04“Air-Frame”、GEM的“Triaxbird” 等主流磁梯度吊艙系統(tǒng)使用的都是這種模式。

垂直梯度陣列的排布模式除了地質(zhì)用途之外，同樣可以用于淺層人造小型磁體的精細(xì)查找工作。如Eagle Geophysics 的“White Eagle”系統(tǒng)(圖3b)，將5組垂直梯度磁探測器橫向一字排列，以獲得更高的平面分辨率。

GPR公司的 “Helimag” 系統(tǒng)將傳感器艙設(shè)計為十字排布(圖3c)，即可以安裝磁傳感器，又可以在兩水平艙內(nèi)安裝頻率域電磁收發(fā)線圈，方便地在兩種用途間轉(zhuǎn)換。

圖3 典型旋翼機(jī)軟吊磁梯度測量系統(tǒng)Fig.3 Examples of “towed-birds” for magnetic gradient surveys

目前GEM公司的GSMP-35A/U鉀光泵磁力儀性能指標(biāo)達(dá)到最佳，其標(biāo)稱靈敏度值達(dá)0.2 pT(1 Hz低通)，轉(zhuǎn)向差0.05 nT，絕對精度也達(dá)到了0.1 nT，可以直接輸出20 Hz的RS-232串行信號。在此基礎(chǔ)上，該公司開發(fā)了適合無人機(jī)上使用的“Airgrad”系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成了2臺磁力儀及GPS、慣導(dǎo)、激光高度表和數(shù)據(jù)收錄器，全套電子系統(tǒng)(包括供電)完全集成于吊艙之上，總質(zhì)量僅6 kg。

在小型化方向，芯片級大小的光泵磁力儀[9-10]于2012年左右開始運(yùn)用在生物磁學(xué)領(lǐng)域，之后在此基礎(chǔ)上又發(fā)展出了光泵磁梯度儀。這種磁梯度儀使用激光作為光源，由兩組平行光系組成，傳感器部分長度僅60 mm，寬12 mm。該設(shè)備對20 mm長的基線，20 Hz采樣率時噪聲級別為10 fT/Hz1/2。這種設(shè)備更適合手持或者無人機(jī)使用[11-12]。

超導(dǎo)量子干涉(SQUID)磁張量測量系統(tǒng)(圖4a)很有希望成為未來主流的磁梯度測量系統(tǒng)。最早的實驗型SQUID磁測系統(tǒng)在2010年即已推出，但經(jīng)過了漫長的沉寂期后，直到2017年才真正的出現(xiàn)在商用領(lǐng)域，時至2020年末，技術(shù)已較為成熟。SQUID有極佳的全頻段性能，頻率響應(yīng)極快，采樣率遠(yuǎn)高于目前的光泵系統(tǒng)，可以用于電磁法中二次場的接收；沒有死區(qū)，方便在低緯度地區(qū)和極地的使用；測量的磁梯度值僅限于芯片區(qū)域，受到噪聲影響更小，精度也超過了光泵系統(tǒng)[12-13]。

圖4 SQUID磁張量測量系統(tǒng)Fig.4 Examples of SQUID magnetic tensor surveys

Dias Geophysical Inc.和Spectrem Air等公司的主探測器都是IPHT Jena與Supracon AG聯(lián)合研發(fā)制造的SQUID傳感器，該公司的M12芯片固有噪聲已可以達(dá)到0.33 fT/Hz1/2。Supracon AG最新一代航空磁張量吊艙系統(tǒng)命名為“Jessy Star”[14](圖4b)。該系統(tǒng)的核心SQUID傳感器置于無磁低溫恒溫器底部，該恒溫器填充了溫度4.2 K的液氦。SQUID的非線性模擬信號通過低溫恒溫器頂部的反饋電路線性化和數(shù)字化，輸出信號采樣率1 kHz。數(shù)據(jù)采集模塊采用電池供電，最多可運(yùn)行10 h。吊艙上同時集成了GPS接收模塊、慣導(dǎo)模塊(三軸光纖陀螺)、壓力調(diào)節(jié)器和雷達(dá)高度計。數(shù)據(jù)可通過光纖和無線(WLAN)兩種方式傳輸?shù)街鄙龣C(jī)艙內(nèi)的監(jiān)控系統(tǒng)中。慣導(dǎo)數(shù)據(jù)通過卡爾曼濾波后計算歐拉角，用來修正梯度數(shù)據(jù)角度。實測動態(tài)飛行時所有梯度噪聲在4.5 Hz低通濾波條件下可達(dá)10 pT/m以下[15]。該系統(tǒng)吊艙加裝了減震彈性支架，以便在落地過程中保護(hù)傳感器。值得注意的是，相比傳統(tǒng)的三點(diǎn)以上固定方式，該系統(tǒng)承重纜繩僅連接吊艙重心兩側(cè),使用尾部整流筒所受空氣壓力代替該點(diǎn)原有的纜繩來保持平衡。這種做法的優(yōu)點(diǎn)是飛行器速度變化時吊艙姿態(tài)不變。

2 航空電磁系統(tǒng)

電磁法測量的直接目的是觀測地質(zhì)體的電阻率和極化率差異,除找礦外，對水質(zhì)監(jiān)測和地下水勘探也有很好的效果[16-17]。 與磁測系統(tǒng)相似，航空電磁系統(tǒng)歷史也比較悠久，是傳統(tǒng)航空物探中競爭最為激烈的領(lǐng)域[18]。據(jù)2019年的一項統(tǒng)計[19]，目前國外在運(yùn)營之中的主要航空電磁系統(tǒng)有27種(表1)，其中不包括這些系統(tǒng)的分支系統(tǒng)(如VTEM-MAX,VTEM-PLUS和VTEM-ET等)。近5年來，多家公司對其時間域電磁系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，新的構(gòu)型和空氣動力學(xué)改進(jìn)可以有效降低電磁系統(tǒng)的震動噪聲。由于新的分析方法開始普及，電磁法的最終產(chǎn)品除電阻率外也開始提供感應(yīng)極化率[20-22]。

表1 2015～2020年國際上主要電磁系統(tǒng)一覽Table 1 Major airborne EM systems in 2015～2020

雖然頻率域系統(tǒng)的穿透能力和帶寬不及時間域系統(tǒng)，但由于對飛行器機(jī)動性能影響較小、耗電較少，其發(fā)射線圈不需要采用剛性較差的平面環(huán)形結(jié)構(gòu)，所以在復(fù)雜地形條件下，形變噪聲較低，在山區(qū)和淺層目標(biāo)勘探市場中占有一定份額。

“天電”(又稱天然場源法)是頻率域系統(tǒng)的一種極端應(yīng)用，借助自然發(fā)射源(如雷電在電離層中激發(fā)的電磁波)作為一次場。這類系統(tǒng)有著悠久的歷史，優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)也同樣突出。自然源的帶寬是人工源所無法比擬的，這使得“天電”系統(tǒng)理論測深能力極佳。但由于這類系統(tǒng)對淺層目標(biāo)的分辨率較低且易受人文干擾，對接收機(jī)和數(shù)據(jù)處理方法的要求較高。目前天電的普及程度不及其他電磁方法。Expert Geophysics Ltd.的Mobile MT系統(tǒng)是目前航空時間域和頻率域電磁系統(tǒng)中標(biāo)稱測深能力最強(qiáng)的系統(tǒng)(圖5a)。該系統(tǒng)測量頻率25 Hz～20 kHz，實測對深度大于1 km的目標(biāo)也有良好的平面和深度分辨率。Geotech的ZTEM也屬此列，測量頻率30～720 Hz，標(biāo)稱最大探測深度2 km[23]。

圖5 典型頻率域電磁測量系統(tǒng)Fig.5 Examples of “towed-birds” for Frequency domain EM surveys

很多時間域系統(tǒng)繼續(xù)通過加大發(fā)射磁矩來增加探測深度。CGG的HeliTEM[24-26]在這期間一度可以達(dá)到2×106A·m2。Geotech的VTEM-MAX的最大磁矩值為1.4×106A·m2，優(yōu)化后的VTEM-Plus系統(tǒng)達(dá)業(yè)界最高信噪比，技術(shù)優(yōu)勢相當(dāng)明顯[27-29]。接收系統(tǒng)中，SkyTEM系統(tǒng)[30-31]的采樣率可達(dá)5 MHz，是目前航空時間域電磁系統(tǒng)公開文獻(xiàn)中列出的最高值[32]。

固定翼時間域電磁系統(tǒng)的最大發(fā)射磁矩未能打破MEGATEMII系統(tǒng)2010年之前達(dá)到的2.2×106A·m2，但該系統(tǒng)已不再運(yùn)營。目前Spectrem Air的Spectrem Plus系統(tǒng)[33-34]是目前發(fā)射磁矩最大的固定翼時間域電磁系統(tǒng)(圖6a)。該系統(tǒng)集成在一架道格拉斯DC3旋翼機(jī)上，發(fā)射線圈采用在機(jī)頭、機(jī)翼、機(jī)尾四點(diǎn)固定方式安裝，線圈有效面積420 m2,其方波發(fā)射機(jī)運(yùn)用了并行發(fā)射技術(shù)，飛行作業(yè)時電流峰值1 800 A，發(fā)射波形為類方波，發(fā)射磁矩0.76×106A·m2,接收線圈使用絞繩拖于飛機(jī)后部，遠(yuǎn)離一次場和飛機(jī)電磁場干擾。

圖6 典型時間域電磁測量系統(tǒng)Fig.6 Examples of Time domain EM systems

過大的發(fā)射電流和線圈匝數(shù)會使得發(fā)射波形難以精確控制，下降沿過寬不利于提取反映淺層特征的前期道精確值。有些系統(tǒng)通過發(fā)射多波形電磁波的方式，寄希望于精確控制發(fā)射的小峰值規(guī)則波形[26]，再通過正負(fù)波形疊加求出發(fā)射波下降時間段的二次場來探測淺層；另一些系統(tǒng)則選擇使用單匝發(fā)射線圈的方式降低線圈自感，從而減少下降沿時間。如Precision Geosurveys公司運(yùn)行的“1TEM”系統(tǒng)(圖6b)，是Geosolution公司“REPTEM”系統(tǒng)和“HOISTEM”的增強(qiáng)版本，采用單發(fā)射線圈設(shè)計方式，發(fā)射波形的下降沿時間僅35 μs。

半航空電磁法指的是將像地面電法一樣將發(fā)射系統(tǒng)(線圈或電極)在地面鋪設(shè)，空中僅負(fù)載接收系統(tǒng)。以Discovery International Geophysics公司的“HeliSAM”系統(tǒng)為例[35-37]，在地面鋪設(shè)Gap Geophysics公司設(shè)計的地面電法發(fā)射系統(tǒng)，發(fā)射1～10 Hz的方波。一般發(fā)射線圈周長約4 km，磁矩達(dá)到100×106A·m2以上?？罩邢到y(tǒng)集成方式為旋翼機(jī)拖曳吊艙，在地面線圈圍成的區(qū)域附近往返測量飛行。為避免接收線圈的航向噪聲，使用以Gap Geophysics公司的TM-7磁力儀為主的接收系統(tǒng)，直接接收磁總場而非其對時間的一階導(dǎo)數(shù)(稱為B-field方法)，采樣率4 800 Hz。TM-7磁力儀是一種專門為快速磁標(biāo)量測量設(shè)計的磁力儀，RMS噪聲20 pT。通過后期解算，可同時得到測區(qū)的總磁場強(qiáng)度、磁導(dǎo)率、二次電磁場和感應(yīng)磁極化率。該接收系統(tǒng)已有無人機(jī)載版本。

3 航空重力系統(tǒng)

重力測量的直接目的是觀測地質(zhì)體的密度差異。地面靜態(tài)重力測量方法由來已久，20世紀(jì)90年代后，動態(tài)的航空重力方法開始用于物探領(lǐng)域[38]。

Canadian Microgravity公司的GT-2A是目前市場上最受歡迎的航空重力標(biāo)量測量系統(tǒng)，其他如Sander公司的AirGrav系統(tǒng)等則處于自用狀態(tài)。值得一提的是，iMAR公司在2018年開發(fā)了小型化的重力儀“iCORUS”(圖7)。該系統(tǒng)運(yùn)行功率僅150 W，總重25 kg，其UAV懸掛版本可以減至10 kg。在單獨(dú)使用時精度在1～3 mGal(濾波半波長2 km)[39]，配合其萬向穩(wěn)定平臺iDGU-100X后，精度可達(dá)1 mGal。

圖7 iMAR的iCORUS系統(tǒng)Fig.7 iMAR’s “iCORUS” gravimeter

在重力梯度領(lǐng)域[40-43]，21世紀(jì)后研究量子干涉重力儀的機(jī)構(gòu)大多數(shù)精力都轉(zhuǎn)向基礎(chǔ)物理研究而非礦業(yè)和導(dǎo)航等應(yīng)用上?；贚ockheed Martin公司的專利的Falcon和FTG(重力張量)系統(tǒng)在性能上一直占絕對優(yōu)勢[44]。緊隨其后的是Gedex Systems的HD-AGG超導(dǎo)重力梯度儀，精度可達(dá)10 E?/Hz1/2以下,目前正在優(yōu)化平臺,以期達(dá)到更好的效果[45](圖8)。2015～2020年間，又有2家新的從事量子干涉重力梯度儀研究的商業(yè)機(jī)構(gòu)成立，分別是美國的AOSense和法國的Muquans，但離航空應(yīng)用還有一段距離。

圖8 典型重力梯度/張量儀器Fig.8 Examples of airborne gravity gradiometers

Falcon系統(tǒng)于2000年前后實驗成功，近年來宣稱經(jīng)過軟硬件技術(shù)改造，其噪聲較初期版本降低了一半，受飛機(jī)顛簸影響很小,HeliFalcon系統(tǒng)在50 m半波長下噪聲水平3 E?以下；與獨(dú)立的低精度sGrav標(biāo)量重力儀組成“Falcon Plus”系統(tǒng)，使用聯(lián)合解算的方法消除積分誤差，150 m半波長下最大噪聲2.2 E?；最新的eFalcon更新了算法，在150 m半波長下分辨率可達(dá)1.0 E?。

FTG系統(tǒng)近年也進(jìn)行了一系列的改進(jìn)，加強(qiáng)后的eFTG精度達(dá)2.5～4 E?/Hz1/2。并且對模擬系統(tǒng)進(jìn)行了數(shù)字化改造。改進(jìn)后的dFTG系統(tǒng)的體積和質(zhì)量較模擬信號版本分別下降了30%和40%。另外重新設(shè)計后的系統(tǒng)與Falcon系統(tǒng)統(tǒng)一了技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，核心備件可互換。Bell Geospaec公司發(fā)布了其使用FTG系統(tǒng)的實測圖件，各方向分量異常形態(tài)清晰，邊界整齊。

業(yè)界翹首以盼的洛克希德·馬丁公司的FTG Plus系統(tǒng)正處于研發(fā)之中，該公司稱此系統(tǒng)將不再需要轉(zhuǎn)動平臺，理論精度可達(dá)到目前Falcon Plus的10倍以上。另外，Rio Tinto公司也對其VK-1系統(tǒng)報有進(jìn)入1 E?/Hz1/2精度以內(nèi)的希望[46]。

4 航空伽馬能譜系統(tǒng)

航空伽馬能譜測量的主要目的是通過測量地質(zhì)體內(nèi)核素衰變產(chǎn)生的伽馬射線分析地質(zhì)體的核素含量和構(gòu)成，對于地層分析[47]和土壤污染監(jiān)測[48-49]有良好的效果。

Radiation Solution公司和Nuvia(原Pico)公司仍然是航空伽馬能譜儀最受歡迎的供應(yīng)商。得益于高速AD/DA芯片的發(fā)展，目前能譜儀所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器頻率可達(dá)60 MHz，使得其計數(shù)率可以達(dá)到2×105cps以上。

為解決土壤監(jiān)測和超低空測量的需要，多家公司研制了為無人機(jī)設(shè)計的小型化能譜儀。其中典型的包括Radiation Solution公司的RS-607和Medusa公司的MS系列(圖9)。

圖9 典型無人機(jī)航空伽馬能譜系統(tǒng)Fig.9 Examples of airborne gamma spectrometers on UAV

由于數(shù)據(jù)處理算法的進(jìn)步，晶體能量分辨率的絕對值對航空伽馬能譜探測效果的影響較之前略有降低。碘化銫晶體能量分辨率較低，結(jié)晶難度較大，所以長期以來不及碘化鈉晶體使用廣泛。但因其不易潮解，性能更加穩(wěn)定，適用于惡劣環(huán)境，所以在使用全譜線算法之后，又重新受到青睞。據(jù)Medusa公司的測試報告[50]，其MS4000系統(tǒng)在使用全譜線算法計算含量后，探測效果幾乎可以媲美四倍體積碘化鈉晶體的直接使用“三窗法”的舊系統(tǒng)。

另外，SKYTEM將Medusa的MS4000(4 L CsI晶體)集成在其SKYTEM-304型TEM吊艙上，由于晶體體積較小，該系統(tǒng)設(shè)計測線飛行速度不能超過45 km/h。Geotechnologies-Russia將32 L碘化鈉晶體集成在了其減震能力較強(qiáng)的“EQUATOR”電磁系統(tǒng)吊艙上，是目前唯一集成了時間域電磁、頻率域電磁和伽馬能譜設(shè)備的吊艙系統(tǒng)(圖10)。

圖10 Geotechnologies-RUS的 EQUATOR 時間域/伽馬能譜吊艙Fig.10 Geotechnologies-RUS’s “EQUATOR” TEM/Gamma-ray spectrometer towed-platform

5 結(jié)論

航空物探測量技術(shù)不僅是地質(zhì)勘探領(lǐng)域的必須技術(shù)，也與其他關(guān)鍵領(lǐng)域的前沿技術(shù)相輔相成，值得長期投入研究[51-52]。 各種航空物探系統(tǒng)雖然原理大同小異，但對分辨率、探測深度和效率成本之間的偏向性存在較大差異，集成方法和硬件的選擇要取決于探測目標(biāo)和數(shù)據(jù)處理能力。在機(jī)器學(xué)習(xí)時代，我國在算法研究上已在世界前列有一席之地[53-54]。相比之前一味面向大尺度、大深度的基礎(chǔ)地質(zhì)問題，重力梯度/張量、磁梯度/張量和電磁方法開始向兼顧淺層空間分辨率的方向發(fā)展。

國外各測量方法領(lǐng)域均出現(xiàn)了無人機(jī)的身影，但新出現(xiàn)的系統(tǒng)大部分暫時只是用于輔助地面的小測區(qū)測量或在相對平坦地形飛行，暫時仍不足以在全產(chǎn)業(yè)支撐起航空領(lǐng)域的大型設(shè)備或新方法的需要，對航空物探領(lǐng)域發(fā)起革命性的沖擊仍需時日。相比之下，國內(nèi)對無人機(jī)測量系統(tǒng)的研究和使用熱情更高。

航空物探方法分支眾多，發(fā)展速度較快，本文引用系統(tǒng)時僅考慮了單項指標(biāo)而非綜合性能。如果考慮到公開文章中很少提及也較難量化的綜合探測效果、故障率和易維護(hù)性等，很多沒有在文中提及的系統(tǒng)綜合性能也各有其優(yōu)點(diǎn)。

致謝:感謝中國自然資源航空物探遙感中心王金龍高級工程師、段樹嶺教授級高級工程師、程懷德教授級高級工程師及各測量方法研究項目組對本文研究給予的指導(dǎo)和支持。