李江坤，武雷超，張偉，盧亞運，張光雅

（1.核工業(yè)航測遙感中心，河北 石家莊 050002；2.中核集團鈾資源地球物理勘查技術中心（重點實驗室），河北 石家莊 050002；3.河北省航空探測與遙感技術重點實驗室，河北 石家莊 050002）

航空地球物理探測，簡稱航空物探，是地球物理勘探技術與航空技術相結(jié)合的一門高新技術。具有快速高效、成本較低、覆蓋面廣、信息量大等優(yōu)勢，是基礎性和公益性地質(zhì)調(diào)查、戰(zhàn)略性礦產(chǎn)勘查的重要手段，在國民經(jīng)濟發(fā)展的各個領域發(fā)揮了十分重要的作用［1-2］。航空物探測量方法主要包括航放、航磁、航電和航重4 種方法，目前在鈾礦找礦工作中主要以航放和航磁測量為主。我國航放和航磁測量技術經(jīng)過60 多年的發(fā)展，在儀器設備、方法技術和勘查成果方面取得了一系列重大進展，特別是航放測量技術已經(jīng)達到世界領先水平［1］。

近年來，航空物探儀器朝著自動化［3］、智能化方向發(fā)展。在航空物探生產(chǎn)工作中，為降低測量成本和安全風險，國內(nèi)外逐漸推行無人值守的作業(yè)模式。2011 年起，中國國土資源航空物探遙感中心和中國地質(zhì)科學院地球物理地球化學勘查研究所等單位開展了航空物探測量無人值守作業(yè)模式探索，并開展了生產(chǎn)作業(yè)試驗，但這種作業(yè)模式無法對測量數(shù)據(jù)質(zhì)量和儀器工作狀態(tài)進行實時監(jiān)控。為提高航空物探作業(yè)效率，提升自動化作業(yè)水平，研制了自動化航放/航磁數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，以P-750 固定翼飛機為平臺，集成航放/航磁測量系統(tǒng)，開展了試驗應用。

1 自動化航放/航磁測量系統(tǒng)總體設計

自動化航放/航磁測量系統(tǒng)主要由自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、晶體探測器、磁傳感器、供電單元、機載監(jiān)控系統(tǒng)和北斗傳輸系統(tǒng)組成（圖1）?；诟咝阅軝C載工控機設計了自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過網(wǎng)口和串口等接口連接晶體探測器、磁傳感器等外部設備［4］，實現(xiàn)了系統(tǒng)上電后自動啟動、采集和存儲數(shù)據(jù)。同時基于Kinco MT4523T 人機交互平臺（簡稱HMI）為硬件平臺，設計了機載監(jiān)控軟件；基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)設計了數(shù)據(jù)傳輸和地面監(jiān)控系統(tǒng)。通過上述研究工作，實現(xiàn)了航放/航磁測量工作的自動化。

圖1 系統(tǒng)組成框圖Fig.1 System composition block diagram

1.1 硬件設計與組成

項目團隊自主研制了自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與晶體探測器、磁傳感器和輔助測量單元組成了自動化航放/航磁測量系統(tǒng)。

1.1.1 自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計由中央處理器、接口電路、數(shù)據(jù)采集電路等部分組成（圖1），具體是以高性能機載工控機為平臺進行開發(fā)，輸入電壓為VDC28 V，數(shù)據(jù)采集板采用CPCI 總線結(jié)構，可實現(xiàn)對上述各傳感器數(shù)據(jù)的采集和處理分析。同時，通過發(fā)送指令，控制上述各傳感器的工作狀態(tài)。例如，通過向晶體探測器發(fā)送高壓和增益調(diào)整指令來調(diào)節(jié)探測器內(nèi)運算放大器的高壓和增益參數(shù)來實時調(diào)整能譜的峰位，保證探測器輸出的能譜曲線在正常峰位上。

設計了供電單元提供整個系統(tǒng)的電源需求（圖2）。J3 為電源輸入接口；U1 和U2 為DC/DC 模塊，實現(xiàn)不同電壓的轉(zhuǎn)換；J1、J2 和J4 為電源輸出接口，為系統(tǒng)組件提供不同標準的電源。

圖2 電源設計圖Fig.2 Power supply design drawing

1.1.2 測量系統(tǒng)組成

航放/航磁測量系統(tǒng)由上述自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、RSI 晶體探測器（下測50.4 L NaI（Tl）晶體，上測8.4 L NaI（Tl）晶體）、高靈敏度航空磁力儀（包括磁探頭、前置放大器、磁通門和磁補償器等）、溫濕度計、氣壓高度計、雷達高度計和GPS 等設備組成。

探測器是用于測量放射性信號（包括能譜窗數(shù)據(jù)和全譜數(shù)據(jù)）的傳感器，為可擴展結(jié)構，包括NaI（TI）晶體、光電倍增管（PMT）、信號放大器、脈沖幅度分析器和數(shù)據(jù)緩存器等部件，通過網(wǎng)口連接到自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的網(wǎng)卡（RJ45 接口）上。

高靈敏度航空磁力儀用于采集地磁場信號，通過串口（RS-232 接口）連接到自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的串口板卡上。航空GPS 用于采集系統(tǒng)所處位置的高度、經(jīng)緯度和時間等數(shù)據(jù)通過串口（RS-232 接口）連接到自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的串口板卡上。

1.2 軟件設計與開發(fā)

為實現(xiàn)自動化測量并保證測量質(zhì)量，開發(fā)了自動化測量軟件、機載監(jiān)控軟件和地面監(jiān)控軟件。

1.2.1 自動化測量軟件

設計了自動化數(shù)據(jù)測量軟件，實現(xiàn)了對能譜數(shù)據(jù)、磁數(shù)據(jù)、位置數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)和時間數(shù)據(jù)等多種參數(shù)的自動采集和記錄。設計了人機交互友好界面（圖3），可實時顯示圖譜信息，主要包括TC（總道）、K（鉀道）、U（鈾道）、Th（釷道）、RALT（雷達高度）、Uup（上測鈾道）、CmMag1（補償后的磁總場）、TCup（上測總道）等參數(shù)。

圖3 自動化數(shù)據(jù)采集軟件界面Fig.3 Interface of automatic data acquisition software

1.2.2 機載監(jiān)控軟件

在自動化測量模式下，設計了機載無人值守監(jiān)控平臺，可由領航員觀察儀器工作狀態(tài)。采用組態(tài)編輯軟件編程，按照Modbus協(xié)議設計了串口數(shù)據(jù)通信軟件，完成了監(jiān)控軟件的設計開發(fā)（圖4），實現(xiàn)了對航測儀的工作狀態(tài)的實時監(jiān)控。

圖4 機載監(jiān)控軟件工作流程圖Fig.4 Work flow chart of airborne monitoring software

1.2.3 地面監(jiān)控軟件

為實時監(jiān)控航測儀空中測量數(shù)據(jù)質(zhì)量和飛機實時位置，基于北斗衛(wèi)星導航系統(tǒng)并采用Python 語言設計了數(shù)據(jù)傳輸和地面監(jiān)控軟件，實現(xiàn)了對關鍵測量數(shù)據(jù)和位置信息的實時監(jiān)控。位置數(shù)據(jù)監(jiān)測界面如圖5 所示。

1.3 飛行平臺選型及改裝設計

為提高工作效率，優(yōu)選了飛行平臺并進行了飛機改裝設計。

1.3.1 飛行平臺選型

目前開展航空物探測量工作主要以固定翼飛機、直升機為主要飛行平臺［5-6］，近年來無人機也成為常用的飛行平臺。核工業(yè)航測遙感中心航空物探測量歷史上先后使用過8種型號的固定翼飛機及5 種型號的直升機開展航空物探工作，例如運十二（Y-12）、雙水獺、獎 狀、Cessna-208B 和 AS350B3等機型（表1）。

表1 不同型號飛機主要性能參數(shù)Table 1 Main performance specification of different types of aircraft

新西蘭生產(chǎn)的P-750 固定翼飛機在續(xù)航時間和起降距離方面擁有較強的優(yōu)勢，在搭載400 kg 的航空物探（放/磁）綜合測量系統(tǒng)時，作業(yè)時間可達近8 小時。

1.3.2 飛機改裝

為了充分發(fā)揮航測儀器的性能并保證測量精度，用于航空物探測量的飛機必須進行必要的改裝。改裝工作除了保證航測儀器安裝可靠、牢固之外，還要保證飛機對航測儀器的放射性干擾、磁干擾以及電子干擾降低到允許的水平。為此，檢查了P-750 飛機的放射性本底，根據(jù)P-750 飛機的載荷和機艙空間設計了系統(tǒng)安裝方案，完成了改裝設計。

1.3.2.1 飛機放射性本底檢查

使用FD-3013 伽馬總量輻射儀和ARD 地面伽馬能譜儀（單位cps，即計數(shù)/秒）對飛機的放射性本底進行了測量。

測量結(jié)果表明，機艙內(nèi)未發(fā)現(xiàn)高放射性的部位，機艙內(nèi)比機艙外地面停機坪放射性本底低16.3%～28.7%，滿足航放測量規(guī)范［6］中機艙內(nèi)比機艙外低 10% 以上的要求（表2）。

表2 飛機本底測量結(jié)果統(tǒng)計Table 2 Statistics of aircraft background measurement results

1.3.2.2 飛機改裝和系統(tǒng)集成

基于P-750 飛機，設計了航放/航磁測量系統(tǒng)的改裝方案，主要包括：溫濕度計、氣壓高度計及雷達高度計安裝、晶體箱安裝、主機箱（包括電源分配器、自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)）安裝、GPS 安裝、磁探頭、磁通門及放大器安裝以及供電電源設計。各設備在飛機上的安裝位置如圖6 所示。

圖6 測量系統(tǒng)各設備安裝位置示意圖Fig.6 Schematic diagram of installation position of each equipment of the measurement system

如圖6 所示，晶體箱和主機安裝于機艙的前端及中部，使用6 根與艙體同寬的槽鋁固定3個晶體箱和主機。

溫濕度計和雷達高度計位于機身下方，雷達高度計發(fā)射天線和接收天線在P-750 機腹下方橫向安裝，間距80 cm，溫濕度計在兩個天線之間，GPS 天線安裝于飛機頂部無遮擋位置。

為減小飛機自身鐵磁性物質(zhì)對磁探頭的影響，磁探頭在保證安全的前提下盡量遠離機身。設計了使用無磁復合材料長度為7 m 的尾椎，磁探頭及前置放大器安裝在尾椎內(nèi)部的支架上，磁通門設計安裝在機艙后半部（圖7）。

圖7 航磁測量系統(tǒng)安裝圖Fig.7 The installation drawing of aeromagnetic measurement system

電源分配器從飛機電源接入28 V 電源，經(jīng)DC-DC 變換后為測量系統(tǒng)提供5～28 V 電源。由于飛機蒙皮是電源的負線，飛機的電氣系統(tǒng)具有較大的噪聲。因此，必須進行下列改裝，以使電噪聲降到可以接受的水平。

1）從電瓶的負端取下接機身的地線，在電瓶0.5 m 范圍內(nèi)接一塊共用接地的銅質(zhì)負極板，尺寸最小為100 mm×200 mm×5 mm，并牢固地與機身連接，從電瓶負端接到這塊板上的導線直徑至少應為15 mm。

2）儀器需用的飛機電源線，要用雙線從總匯電條處直接引入機艙內(nèi)的接線盒上。正極線應通過一個20 A 的保險開關接到飛機的總匯電條上，負線直接從銅板上引入。所用導線應能長時間承受20 A 的電流。

2 系統(tǒng)測試及校準工作

對系統(tǒng)開展了測試和校準工作，包括性能指標測試、航放系統(tǒng)校準和航磁補償飛行。

2.1 航放系統(tǒng)穩(wěn)定性測試

對航放系統(tǒng)的穩(wěn)定性開展了測試，測試結(jié)果如表3 所示。

表3 航放系統(tǒng)穩(wěn)定性測試統(tǒng)計Table 3 Statistics on stability test of airborne radioactive system

穩(wěn)定性測試結(jié)果表明，各窗計數(shù)變化范圍為-0.90%～0.44%，滿足變化不超過±5%的規(guī)范要求［7］。

2.2 航空磁力儀靜態(tài)噪聲測試

對航空磁力儀靜態(tài)噪聲水平進行了測試，按照采樣間隔2 次/s 抽點計算Sn值：

式中：Sn—靜態(tài)噪聲；n—參加計算的觀測點 數(shù)，個；i—數(shù)據(jù)序列號，i=1，2，…，n；Bˉ、Bi、Ti和Sn的單位為nT［8］。測試數(shù)據(jù)見圖8 所示。

圖8 靜態(tài)噪聲測試結(jié)果Fig.8 The test data of static noise

經(jīng)計算，航空磁力儀靜態(tài)噪聲為0.002 74 nT，滿足靜態(tài)噪聲小于0.01 nT 的航磁一級資料評價標準［8］。

2.3 GPS 定位精度測試

在空曠地帶對機載GPS 導航定位系統(tǒng)進行定位精度測試，通過公式（4）計算GPS 靜態(tài)定位精度：

式中：Xi—第i次GPS 系統(tǒng)的坐標觀測值，m；為Xi的算術平均值，m；N—測量次數(shù)，次。測試結(jié)果見表4 所示，GPS 靜態(tài)徑向定位精度為0.017 m，滿足航放航磁測量定位的精度要求。

表4 航空GPS 靜態(tài)定位精度測量結(jié)果統(tǒng)計Table 4 Aviation GPS static positioning accuracy measurement results

2.4 航放系統(tǒng)校準

在航空放射性測量模型標準裝置和黃壁莊動態(tài)測試帶開展了航空伽馬能譜測量系統(tǒng)校準，校準結(jié)果見表5。

表5 航空伽馬能譜測量系統(tǒng)校準結(jié)果（P-750）Table 5 Calibration results of airborne gamma spectrum measurement system(P-750)

各項校準結(jié)果滿足航空γ 能譜儀檢定規(guī)程要求［9］。

2.5 航磁補償飛行

為消除飛機自身鐵磁性物質(zhì)干擾及飛機機動動作造成的磁干擾，設計了航磁補償飛行，以消除上述影響。飛機進行磁補償?shù)穆肪€如圖9 所示。

圖9 磁補償飛行示意圖Fig.9 Schematic diagram of magnetic compensation flight

磁補償結(jié)果曲線如圖10 所示，補償后磁場曲線平滑，基本消除了飛機干擾場及各種飛行姿態(tài)對測量的影響。

圖10 磁補償前后結(jié)果對比圖Fig.10 Comparison of results before and after compensation

磁補償結(jié)果見表6，磁補償前數(shù)據(jù)標準偏差為0.317 14 nT，磁補償后數(shù)據(jù)標準偏差為0.019 61 nT，優(yōu)于0.08 nT 的航磁測量規(guī)范要求［8］。

表6 航空磁力儀磁補償結(jié)果統(tǒng)計Table 6 Statistics of magnetic compensation results

3 應用

2021 年使用P-750 固定翼飛機搭載自動化航放/航磁測量系統(tǒng)在東北某工作區(qū)開展了生產(chǎn)工作，查明了工作區(qū)航空放射性場和磁場的分布特征。以圖11 為例，HFU-008 等3 個鈾異常構成航放異常集中區(qū)，由化極磁場可知，該區(qū)域磁性基底表現(xiàn)為局部凸起特征，結(jié)合東部總體抬升的構造背景來看，該區(qū)域磁性基底所反映的構造形態(tài)與蓋層構造形態(tài)具有繼承性關系。而HFU-008 異常大致處于凸起中部，

圖11 工作區(qū)（局部）航放鈾含量（a）和航磁化極等值線圖（b）Fig.11 Airborne uranium content（a）and aeromagnetic field reduced to pole measurement results（b）in the test area

HFU-001、002 大致處于由凸起中部向南傾的構造緩坡部位。對3 個異常開展地面伽馬能譜、土壤氡等綜合查證認為3 個異常成因相似，即在地表徑流匯聚或潛水作用下，來自于周邊嫩江組沉積層中的鈾受泥質(zhì)沉積物強吸附作用導致局部富集引起［10］。

同時，對所有飛行架次的能譜峰漂、晶體分辨率和航磁動態(tài)噪聲等技術指標進行了統(tǒng)計：能譜峰漂（208Tl）在-0.41～-0.94 道之間，晶體分辨率在8.86%～9.56%之間，航磁動態(tài)噪聲水平一、二級資料占98.68%以上［10］。期間共飛行57 架次，完成測線50 457 km，單架次平均飛行885.2 km，作業(yè)效率較以往有明顯提高。

4 結(jié)論

1）基于P-750 飛機的自動化航放/航磁測量系統(tǒng)由自動化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、晶體探測器、磁傳感器輔助測量系統(tǒng)、機載監(jiān)控裝置及地面實時監(jiān)控系統(tǒng)組成，實現(xiàn)了航空物探作業(yè)無人值守自動化測量。

2）實測數(shù)據(jù)結(jié)果表明，系統(tǒng)穩(wěn)定性、磁靜態(tài)噪聲、定位精度、航放標定和航磁補償?shù)燃夹g指標滿足現(xiàn)行航放和航磁測量規(guī)范標準，可應用于生產(chǎn)作業(yè)。

3）應用示范測量結(jié)果表明，應用該自動化測量系統(tǒng)獲取了高質(zhì)量航放/航磁測量數(shù)據(jù)，查明了工作區(qū)航空放射性場和磁場的分布特征，且單日最高完成測線飛行2 290 km，單架次最高完成測線飛行1 318 km，單架次續(xù)航最長6.77 小時，工作效率較以往有明顯提高。