技术领域
[0001] 本
发明涉及一种无人机航空
磁场探测系统及方法，属于航空物探新仪器技术领域。
背景技术
[0002] 磁法勘探是通过观测和分析由
岩石、
矿石(或其他探测对象)
磁性差异所引起的磁异常，进而研究地质构造和矿产资源(或其他探测对象)的分布规律的一种地球物理勘探方法。可用于地质调查的各个阶段。在区域地质调查中的应用包括：①进行大地构造分区，研究深大断裂，确定
接触带、
断裂带、
破碎带和基底构造；②划分
沉积岩、
侵入岩、
喷出岩以及
变质岩的分布范围，进行区域地质填图；③研究区域矿产的形成和分布规律。在普查找矿工作中的应用包括：①直接寻找磁
铁矿床，普查与
磁铁矿共生的铅、锌、
铜、
锡等弱磁性矿床，普查与磁铁矿共生的金、锡、铂等砂矿床；②普查
铝土矿、锰矿、褐铁矿和菱铁矿等弱磁性沉积矿床；③查明各种控矿构造并进行控矿因素填图，圈定基性、超基性岩，寻找铬、镍、
钒、钴、铜、
石棉等矿产；④圈定火山颈以寻找金刚石，圈出热液蚀变带以寻找夕卡岩型矿床和热液矿床(见
气化热液矿床；⑤普查油气田和
煤田构造，研究磁性基底控制的含油气构造，圈定沉积盖层中的局部构造，以及探测与油气藏(见圈闭)有关的磁异常，进行普查找油研究与
火成岩有关的煤田构造及圈定火烧煤区的范围。在矿产详查勘探中，对磁异常作定量解释可用来追索和圈定磁性
矿体，确定钻探孔位并指导钻探工作的进行。磁法勘探还可用于研究深部地质构造，估算居里点深度以研究地热和进行
地震蕴震层分析及地震预报的研究。还可应用于考古、寻找地下金属管道等工作。
[0003] 磁测工作按照观测磁异常的空间地域不同，分为地面磁测、航空磁测、海洋磁测和井中磁测。本发明属于航空磁测的范畴。航空磁测是指用安装在
飞行器上的磁
力仪进行磁测。具有快速，不受高山、
水域、森林、
沼泽限制等特点。由于飞机距地面一定高度飞行，减弱了地表磁性不均匀影响，更有利于磁力仪记录深部区域地质构造的磁场。航磁比例尺根据地质任务、探测对象的规模、所测区域的地球物理特征和航空
定位技术等来确定。为了获得明显可靠的磁异常信息，飞行高度应尽量低，由比例尺、定位技术和地形条件等确定。航磁工作中，一般采用无线电导航仪同步照相定位。为消除飞行本身的磁干扰，还需采用特殊的磁补偿技术。航测过程中除进行测线上的磁场测量外，还需进行基线飞行和辅助飞行。基线飞行是确定磁异常的起算点和计算仪器的零点位移；辅助飞行包括：了解测区情况、飞行条件和仪器工作状态的试验飞行；检查评价磁测
质量的重复线飞行；检查调整不同架次观测磁场水平的
切割线飞行等。
[0004] 现有的航磁探测系统通常由三部分组成，一是
传感器，包括用于磁场数据测量的磁力传感器和用于无人机
姿态测量的传感器等；二是数据收录仪，用于记录和存储所采集的各类数据；三是配套的磁干扰补偿仪，用于补偿飞行器及各
电子设备所带来的磁干扰。在航磁测量工作中，通常将以上航磁探测系统搭载到适用的飞行器上进行测量。常用的飞行器平台包括轻小型飞机和动力三
角翼等。
[0005] 已有的航磁探测系统通常是飞行器与航磁设备的机械组合，并未针对航磁工作的主要特点进行优化与集成。这一方面是由于常规飞行器通常为通用搭载平台，除了航磁作业外还需承担其他航空作业；另一方面是由于常规飞行器需要驾驶员，由于人员安全的考虑限制了某些优化与改装。而国内航磁设备往往体积巨大，加上航磁工作中需要多种
传感器数据，设备数量多体积大的问题使得现有设备无法直接应用于
载荷较小的无人机上。同时来自飞行器的磁干扰依旧是影响航磁数据质量的重要因素。
发明内容
[0006] 本发明针对现有航磁探测系统操作复杂、工作成本高、效率低、磁场干扰大、智能化集成程度低的缺点，提出了一种以低磁无人机作为平台的航磁探测系统，能降低航磁探测成本，提高磁测数据质量，适合于大面积高
精度航磁测量工作的应用。
[0007] 本发明是通过下述技术方案实现的。
[0008] 低磁无人机航磁探测系统，包括机载部分与地面部分。
[0009] 所述机载部分包括自动飞行控制与通讯主机、多路电源模
块和
传感器系统。其中，自动飞行控制与通讯主机与无人机的伺服
电机相连接。
[0010] 自动飞行控制与通讯主机包括主控板、机载遥控遥测通讯装置、自动驾驶导航仪和数据收录仪，实现无人机的飞行控制、自动化测量、数据记录、电源管理等功能。自动飞行控制与通讯主机采用高
稳定性的
嵌入式系统，其体积和重量满足低磁无人机的体积及载荷要求。主控板包括飞控模块、磁测模块和补偿模块，同时为多个
测量传感器提供时标
信号，使各传感器工作和记录的时间一致；主控板与机载遥控遥测通讯装置相连，主控板的飞控模块连接至自动驾驶导航仪，磁测模块和补偿模块分别与数据收录仪相连，将接收到的测量传感器数据经预处理后分别实时传递至自动驾驶导航仪和数据收录仪，并接收自动驾驶导航仪计算得到的导航数据，输出至机载遥控遥测通讯装置。
[0011] 多个测量传感器用于无人机的飞行控制、磁场值的测量与航磁数据补偿预处理。用于无人机的飞行控制的传感器与主控板的飞控模块相连，包括高度计、
温度计、
空速传感器、三轴
加速度传感器、全球定位天线、三轴角速率传感器和航空
磁传感器；用于磁场值测量的传感器与主控板的磁测模块相连，包括高度计和光
泵磁力仪；用于航磁数据补偿预处理的传感器有三轴
磁通门磁力仪，与主控板的补偿模块相连。
[0012] 所述航空磁传感器包括磁通门磁力仪和光泵磁力仪，分别安装于无人机的翼尖和用
连杆连接于机头或机尾，以减小来自无人机本体的各类磁干扰。所述三轴磁通门磁力仪安装于低磁无人机前端连杆上，是矢量磁测量，能够测量三个轴的磁场值，主要用于后期航磁数据的磁补偿。所述光泵磁力仪包括光泵
探头、控制部分和
数据采集部分，其中光泵探头安装于两翼翼尖，控制和数据采集部分安装于
机舱内，光泵磁力仪的测量精度要求能保证航磁数据的有效测量。
[0013] 多路电源模块由大容量可充电
电池组集成，有电量估计功能，各路电源分别与无人机
伺服电机及机载设备相连，为无人机提供电力供应，同时多路电源模块通过串口将电源状态信息传递至自动飞行控制与通讯主机，自动飞行控制与通讯主机根据电源状态返回控制指令，控制各路电源
开关分别对无人机
舵机、自动飞行控制与通讯主机、各个测量传感器及航空磁测探头供电。多路电源模块保证自动飞行控制与通讯主机中自动驾驶导航仪和飞机伺服电机的电力供应，使无人机有充分的返航时间。采用多路电源模块统一供电，避免了航磁测量系统各模块多电源单独供电时，由于磁测模块电力耗尽而造成的无效飞行，使单架次测量所得的“有效测线公里”最大化。
[0014] 自动飞行控制与通讯主机和多路电源模块安装于无人机机舱内，与舱内油箱、
配重模块进行合理配置：模块间的连线短，能避免
电磁干扰；避免碰撞
短路，以确保飞行安全。自动飞行控制与通讯主机的主控板通过串口连接数传电台，通过机载遥控遥测通讯装置与地面遥控遥测通讯装置通信；通过串口连接航空磁传感器，通过数据收录仪记录磁测数据；通过串口连接飞行姿态传感器、气压计、高度计、全球定位天线，通过数据收录仪记录各传感器的数据；通过串口与多路电源模块连接，实时获取多路电源模块的
电压、电量信息，并根据优先级控制多路电源模块分配电源；同时，主控板提供时标信号，使各传感器工作和记录的时间一致。
[0015] 自动飞行控制与通讯主机、电源和传感器等部件在安装过程中不能采用
铁磁性材料，以减小无人机本体受
地磁场磁化所产生的感应类磁干扰；同时，无人机机舱中的各个模块也不能采用大量的导电材料，以减小飞行过程中切割地磁场所产生的
涡流类磁干扰。
[0016] 所述地面部分用于无人机起降控制、测量状态实时监测及突发情况下的人工干预，主要实现测量前期的路径导航规划、无人机通讯、无人机飞行和测量实时的超视距控制与监控以及磁测数据的预处理等功能；包括地面遥控遥测通讯装置、遥控器、地面控制计算机及其处理模块。地面遥控遥测通讯装置与地面控制计算机的处理模块相连。遥控器与地面控制计算机无线通信，用于人工搜索、控制无人机。
[0017] 地面控制计算机的处理模块主要实现三类功能：一为测线的航线规划功能，地面站在测量前根据测区的地理信息规划测量航线，并将预设航线传递至自动飞行控制与通讯主机的自驾仪部分，由自驾仪根据规划航线进行全自动化测量。二为测量状态实时监控功能，由地面遥控遥测通讯装置将获取的无人机航磁测量状态实时传递给地面控制计算机，由处理模块中的监控模块航测状态，紧急情况下对无人机下达返航、爬升等干预指令；在迫降或坠机等不可控事件发生时，获得无人机的
位置，最大限度减小意外所带来的损失。三为航磁数据的预处理功能，能对所测得的航磁数据进行校正、磁补偿等处理，对数据进行质量控制。
[0018] 本发明的无人机航磁探测方法，包括如下步骤：
[0019] 步骤1，将机载模块装于低磁无人机上。电源模块和自动飞行控制与通讯主机安装于机舱内部，三轴磁通门磁力仪安装于低磁无人机前端连杆上，光泵磁力仪的光泵探头安装于两翼翼尖，记录和数据采集部分安装于机舱内。
[0020] 步骤2，检查低磁无人机与遥控器和地面站控制计算机之间的通信是否完好，具体过程如下：
[0021] 1)将低磁无人机放于飞行区域的
起飞点上；
[0022] 2)启动低磁无人机地面站控制
软件，在主界面上通过Google地图搜索飞行区域，并在飞行区域中搜索低磁无人机，直到无人机出现在地面站控制软件主界面上为止；
[0023] 3)打开遥控器，并将遥控器设置为人工控制状态，在遥控器中找到与低磁无人机相对应的无人机型号；
[0024] 4)
选定无人机型号后，启动低磁无人机的电源模块，分别拨动遥控器上的
油门和舵机等拨键，观察低磁无人机的动作是否与遥控器的拨键相对应；
[0025] 5)再次拨动遥控器上的油门和舵机拨键，在地面站控制软件上观察各舵机的显示是否正确，同时观察主界面中的无人机的动作是否与低磁无人机的实际动作是否相符；
[0026] 6)上述情况都相对应，那么说明低磁无人机的机载部分与地面站控制部分之间的通信是正常的。
[0027] 步骤3，在确认低磁无人机与遥控器和地面站控制软件之间通信良好后，在地面站控制软件上对低磁无人机做飞行前的设置，具体包括以下设置：
[0028] 1)设置低磁无人机的飞行速度：为了确保所测航磁数据的质量，低磁无人机的飞行速度不能变化很大，因此，此处无人机将匀速飞行，一般速度设置在120-150Km/h；
[0029] 2)设置低磁无人机的飞行航迹：根据任务要求，低磁无人机在飞行区域内进行栅形飞行，首先在地面站软件中的航迹规划模块下输入起始点、目标点和栅形行距等信息，点击生成栅形航迹，这样在飞行区域就生成了初始栅形航迹；
[0030] 3)设置低磁无人机的飞行高度：在初始栅形航迹中为了保证航磁数据的质量，低磁无人机与地面的绝对高度是一致的。但是，为了保证低磁无人机的飞行安全，在局部对低磁无人机的飞行高度进行人工调整。
[0031] 步骤4，将步骤3中对低磁无人机的设置下装到低磁无人机的自动飞行控制与通讯主机上。
[0032] 步骤5，低磁无人机在起飞阶段，操控人员利用遥控器控制低磁无人机的起飞，当低磁无人机到达预先设定的航迹起始点位置，操控遥控器切换到自主飞行状态。低磁无人机将根据地面站上预先设定的航迹进行飞行，并实时采集和记录航磁数据、飞行速度和高度等数据。
[0033] 步骤6，直到无人机飞完整个飞行区域，再将无人机的飞行状态从自主飞行切换到遥控器控制状态，操控人员操作遥控器使低磁无人机安全着陆。
[0034] 步骤7，将测量的航磁数据从无人机的自动飞行控制与通讯主机存储卡中读出，并导入相关专业软件(AeroMag)中进行处理。
[0035] 步骤8，在AeroMag中首先利用磁通门测量仪测量的数据对航磁测量姿态进行处理。同时对光泵磁力仪数据进行预处理，包括正常的校正场改正、外日变改正、温度改正、零点改正、正常梯度改正、基点改正和磁场水平调整(即调平)，再利用飞行姿态数据进行磁补偿计算。
[0036] 步骤9，数据预处理后，对处理后的航磁异常数据进行进一步处理，包括向上延拓、水平导数、垂向导数、化磁极。向上延拓的主要作用为压制浅层干扰，突出深部趋势。水平导数的主要作用为突出方向构造信息。垂向导数的主要作用为突出浅层场源信息。化磁极的主要作用为消除斜磁化影响，简化磁场形态。另外还可以利用
频率域对磁异常数据进行相应的处理与转换，最终将图形进行三维显示。
[0037] 有益效果
[0038] 本发明的探测系统可用于国民经济和军事目标探测多个方面，并可用于国家重大科技专项“地球探测工程”和国家重大建设项目勘查或战略资源探查。整套设备系统方案简单易行，成本低，社会效益和经济效益显著。
附图说明
[0039] 图1为本发明的无人机航磁探测系统组成
框图；
[0040] 图2为本发明的无人机航磁探测系统自动飞行控制与通讯主机部分的示意框图；
[0041] 图3为本发明的无人机航磁探测系统传感器部分的示意框图；
[0042] 图4为本发明的无人机航磁探测系统地面站部分的示意框图；
[0043] 图5为具体实施方式中采用固定翼无人机和光泵磁力仪的系统安装示意图；
[0044] 图6为具体实施方式中无人机飞行区域；
[0045] 图7为具体实施方式中无人机飞行航迹；
[0046] 图8为具体实施方式中无人机探测得到的磁场等值线图；
[0047] 图9为具体实施方式中无人机探测得到的磁场分布三维效果图；
[0048] 标号说明：1-磁通门磁力仪，2-GPS和通讯天线，3-机舱(其中安装自驾仪、数据收录仪、电源管理模块和油箱)，4-光泵探头A，5-光泵探头B。
具体实施方式
[0049] 下面结合
实施例及附图，对本发明作进一步详细说明。
[0050] 本发明主要以光泵磁力仪作为测量地磁场的核心磁传感器，并将配套的数据收录系统以及自驾仪等部分集成为系统的自动飞行控制与通讯主机部分，配备大容量电池模块及其他传感器组成适用于无人机的航磁探测系统。选择固定翼无人机机型，将航磁测量系统安装于无人机上，实现一套完整的无人机航磁探测系统。
[0051] 选择固定翼无人机为常规布局、双垂尾、双尾撑、
发动机后置、大展弦比机翼，飞机安定性好，能够保持飞行平稳，可满足不同地形条件下航磁探测飞行要求。选择重量轻、强度大、对航磁探测设备影响小的低磁材料(玻璃
纤维和其他
复合材料)进行无人机的制作，舱体空间需满足机载各种设备的安装要求。
[0052] 自动飞行控制与通讯主机集成了自驾仪、数据收录仪和主控板三个主要部分，安装于无人机机舱内。并与油箱和多路电源模块进行配重，保证无人机的稳定性。自动飞行控制与通讯主机采用嵌入系统，以32位
微处理器ARM为核心设计。通过I/O
接口连接并控制磁探头工作，获取光泵磁探头和磁通门磁探头数据，采用多路同步测量实现磁梯度测量，并为磁补偿提供补偿参数。通过可扩展接口，获取GPS、高度、飞行姿态、空速、气压等数据，通过自驾仪实现全自动测量。并由数据收录仪将所有数据同步储存。通过串口与多路电源模块进行通讯，根据电量信息控制电源模块开关对无人机伺服电机、自动飞行控制与通讯主机、传感器进行供电。集成遥控与遥测装置，通过数传电台实时与地面站进行通讯。
[0053] 由于系统涉及多种传感器，根据各传感器特点安装于无人机的不同位置。
[0054] 其中，航空磁传感器选择航空氦光泵磁探头和三轴磁通门磁探头。前者是基于光泵技术实现的高灵敏度的磁力仪，可测量地磁总场，其精度为0.01nT；后者即三个
正交组合的磁通门磁力仪，可实现对地磁矢量场的测量，其精度为1nT。本例中的光泵磁力仪对称的安装于固定翼无人机两翼的翼尖，实现对地磁总场水平梯度的测量；三轴磁通门磁力仪通过高强度
碳纤维杆安装于机头。这种安装方式使得磁探头均远离无人机本体，减小了来自无人机的磁干扰，提高了磁测数据的质量。
[0055] 其余传感器主要有GPS天线、空速计、高度计、三轴加速度传感器、三轴
角速度传感器、气压计，均集成于机舱内或安装于机舱附近，有效减小对磁测的干扰。
[0056] 地面站部分的核心是一台主控计算机，安装了无人机航磁测量中的测前、测时、侧后所需的各类软件。可实现对无人机航磁测线的规划，实时反馈测量中的无人机飞行状态以及磁测设备的工作状态，实时获取测量数据，同时可对无人机进行超视距控制。测量结束后可导入数据进行数据预处理，对数据进行质量控制。通过遥控遥测通讯装置实现与无人机间的通讯功能。
[0057] 第一步：将自动飞行控制与通讯主机以及机载传感器装于无人机上，具体位置见图5；
[0058] 第二步：将装有磁测设备的无人机放于飞行区的起飞点，并检查无人机的舵机和发动机部分是否适于飞行；
[0059] 第三步：打开地面控制软件，检测无人机的控制部分，确认无人机是否可以飞行，然后，在控制软件上规划无人机的飞行区域如图6所示的白色方框，在飞行区域内，根据飞行内务规划无人机的飞行航线，如图7所示，并将飞行区域和航迹下装到无人机机载部分的主控机上；
[0060] 第四步：起飞阶段，由人工利用遥控器控制无人机的起飞，当无人机到达预先设定的飞行位置，切换到自主飞行状态。无人机根据地面站上预先设定的航迹进行飞行，并实时采集和记录航磁数据；
[0061] 第五步：直到无人机飞完整个飞行区域，再将无人机的飞行状态从自主飞行切换到遥控器控制状态，人为操作遥控器使无人机安全着陆；
[0062] 第六步：将测量数据从无人机的自动飞行控制与通讯主机存储卡中读出，并导入相关专业软件(AeroMag)中进行处理；
[0063] 第七步：在AeroMag中首先对航磁异常数据进行预处理，包括正常的校正场改正外日变改正、温度改正、零点改正、正常梯度改正、基点改正，另外还包括磁补偿和磁场水平调整(即调平)，图8为航磁数据经过预处理后得到的磁场等值线图；
[0064] 第八步：数据预处理后，对航磁异常数据进行处理，包括向上延拓，其主要作用为压制浅层干扰，突出深部趋势；水平导数，其主要作用为突出方向构造信息；垂向导数，其主要作用为突出浅层场源信息；化磁极，其主要作用为消除斜磁化影响，简化磁场形态。另外还可以利用频率域对磁异常数据进行相应的处理与转换，最终将图形进行三维显示，图9是将图8进行处理后的三维显示效果图。
