无人机在地球物理探测中的应用.pdf

第 2 1 卷第 7期 2 0 1 2年 7月 中 国 矿 业 CHI NA M I NI NG M AGAZI NE Vo 1 2 1 ，No 7 J u 1 2 0 1 2 无人机在地球 物理探 测 中的应 用 于显利 ，刘顺安 ，刘佳琳。 ( 1 吉林 大 学地球 探 测科 学与技 术 学院 ，吉林 长春 1 3 0 0 2 6 ； 2 吉林大学机械科学与工程学院，吉林 长春 1 3 0 0 2 2 ) 摘要 ：随着经济持续 快速增 长 ， 我国对资 源需求越 来越大 ， 现有 资源 已经无法满 足需要 ， 迫切需要 寻找新的矿产资源 。而无人 机作 为一 种成本 低 、 操 作灵活 、 无人 员伤亡 危险 的空中移动探 测平 台， 正好 满 足高效率资源勘查的需要。本文 详细介绍 了国内外 利用 无人机 技术进 行地球 物理探测 的应用 现状 ， 并 对 不同种类无人机在资源探测中的优缺点和存在 的问题进行 了讨论 。 关键词 ：无人机 ；地球 物理探测 ；应用 中图分类号 ：P 6 3 1 文献标识 码 ：A 文章编号 ：1 0 0 4 4 0 5 1 ( 2 0 1 2 ) 0 7 0 1 0 7 0 3 App l ic a t io n o f u n ma n n e d a e r ia l v e hic l e f o r g e o p hy s ic a l s u r v e y in g YU Xi a n - l i LI U S h u n - a n ，LI U J i a l in ( 1 C o l l e g e o f Ge o - Ex p l o r a t i o n S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y ，J i l i n Un i v e r s i t y ，Ch a n g c h u n 1 3 0 0 2 6，Ch i n a ； 2 Co l l e g e o f Me c h a n ic a l S c i e n c e a n d En g i n e e r in g，J il in Un i v e r s i t y，Ch a n g c h u n 1 3 0 0 2 2 ，Ch i n a ) Ab s t r a c t ： W it h Ch in a S s u s t a in e d a n d r a p id e c o n o mic g r o wt h， t h e e n e r g y d e ma n d is b e c o min g g r e a t e r a n d g r e a t e r Th e e x is t in g r e s o u r c e s a r e u n a b l e t o me e t t h e e c o n o mic n e e d， S O t h e r e is a u r g e n t n e e d t O f in d t h e n e w min e r a l r e s o u r c e s Un ma n n e d a e r i a l v e h ic l e s( UAVs )j u s t me e t t h e n e e d o f h i g h e f f i c ie n c y r e s o u r c e e x p l o r a t io n ， f o r UAVs is a l o w- c o s t ， f l e x ib l e o p e r a t io n a n d n o c a s u a l t ie s a e r ia l mo v in g d e t e c t io n p l a t f o r m This p ap e r in t r o du c e d t h e do me s t ic a nd in t er n at io na l a p pl ic a t io n s t a t us o f UAVs f or ge oph ys ic al s ur ve ying in d e t a il Th e a d v a n t a g e s a n d d is a d v a n t a g e s o f d if f e r e n t k in d s o f UAVs f o r g e o p h y s ic a l s u r v e y in g we r e p r o p o s e d a n d t h e e x is t in g p r o b l e ms o f t h e UAVs f o r g e o p h y s ic a 1 s u r v e y in g we r e d is c u s s e d Ke y wo r ds ： un ma nne d a e r ia l v e hic l e； ge op hy s ic a l s ur v e yin g； a pp l ic a t ion 无人机是一种不载人的、 可重复使用和具有 自 主飞行 能 力 的飞行 器 ， 具有 遥 控 和 自主飞 行 两 种 飞 行模式 】 。无人机一般 由机体骨架 、 动力系统 、 传感 器 系统 、 任 务载荷 系统 、 飞行 控 制 系统 、 数 据 链 和 执 行机构等构成。根据无人机搭载任务载荷尺寸和重 量 的不 同 ， 可 以分 为 微 型 、 小 型 、 中型 、 大 型 、 超 大 型 无人机。无人机具有的优点包括体积小 、 重量轻、 可 以在复 杂地形 起飞 ( 发 射 ) 和 着 陆 ( 回收 ) ； 可 以搭 载 多 种任务 载荷 在空 中长 时间 飞行 ， 可 以执 行繁 琐 的 、 重复性很高的飞行任务 ； 可 以在非常危险的环境下 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 4 1 7 基金项 目：“ 深部探测技术与实验研究专项 S i n o P r o b e - 0 9 0 1 一 移动平 台综合地球物理数据处理 与集成系统” 项 目资助( 公益性行业科研专 项编号 ： 2 0 1 0 1 1 0 7 8 ) 作者简介 ：于显利( 1 9 8 0 ) ， 男 ， 吉林德惠人 ， 讲师， 博士 ， 研究方 向： 稳定平 台及其控制技术 。 E - ma i l ： y u x i a n l ij l u e d u c n。 飞行 ； 最重 要 的是 不会 造 成 人 员 的损 失 。正 是 由于 无人 机具 有 的这 些 优 点 ， 所 以 目前 无 人 机 广泛 应 用 于 自然灾 害预 防与处 理 2 、 农 业 资源 监测 4 、 林 业 资 源监测 6 、 科 学观测 7 、 公 安边 防 、 海 事 、 石油 、 电 力等领域 。文献E 5 - i 使用小型无人机直升机对农 田 生长情况进行观测 ； 文献 7 使用四旋翼无人机对山 体滑坡现场进行科学观测 ； 文献 8 利用小型固定 翼 无人 机对 移动 冰 川 进行 监 测 。然 而 ， 这 些 应 用 大 多是地表层面的无人机遥感应用， 无人机对地壳及 其地球深部物理探测方面的应用， 从 国内外文献来 看 ， 介 绍 的不多 。 随着经济持续快速发展，我 国现有资源 已经很 难满足经济建设发展的需求，所以迫切需要寻找新 的矿产资源 。然而，我 国地域辽 阔，地质条 件复 杂 ，很 多有 用 的矿产 资源 大多分 布在人 迹 罕至 的山 区 、峡谷 等 区域 。由于 山区地形 复杂 ，交通 不便 甚 1 O 8 中 国 矿 业 第2 1 卷 至没有 交通 ，导致 地 面物探 工作往 往很难 开展 。缺 少 飞行 平 台是 目前 我 国进 行 复杂地 形条件 下物 探数 据 获取 的 主 要 瓶 颈 之 一 ，而 无 人 机 技 术 的 众 多 特 点 ，正好 可 以满足 这些需 求 。近年 来 ，国际航 空物 探 飞行平 台已有从 传统 的有人 机 向无 人机 发展 的趋 势 。同时 ，航 空物 探测量 设备 的性 能是否 达 到工作 要求 ，也 是 限制元人 机应 用 于地球 物理探测 的一个 重要 因素 。如果探测设备的性能参数达标 ，那么无 人 机在地 球物 理探 测上 的应用 ，将具 有非 常广 阔 的 应用 前景 。 1无人 机在地 球物 理探测 中的应用 现状 在地 球物理 探 测 中 ， 无 人 机 作 为一 种 适 用 于 复 杂地 形条 件下 ， 高效 率 、 高 精度采 集 空间位场 数据 的 重要 手段 ， 用来 揭 示 地下 位 场 场 源分 布 规 律 。无 人 机通 过搭 载不 同的 任务 载 荷 ( 磁 力 仪 、 重 力 仪 、 重力 梯度仪、 放射性探测仪 、 电磁线圈等) ， 可以实现无人 机航 磁 、 航 重 、 航 放 、 航 空 电磁 的地 球 物理探测 应用 。 目前 ， 无人 机地球 物 理 探测 技 术 属 于 国 际前 沿 技术 和研 究热 点 ， 只有 美 国 、 英 国 、 以色列 、 加 拿大 、 德 国 、 法 国等少数 发达 国家 掌握其 核心技 术 。 1 1 国外 主要应 用 国外 已经将 无人 机技 术广泛 地应用 到地 球物理 探测 中 的各 个领 域 ， 并 取得 了 良好 效果 ， 很大 程度上 提高了科学研究质量。这些对 中国的相关技术应 用 ， 具 有很好 的借 鉴作用 。 英 国的 Ma g s u r v e y L i mi t e d公 司提供 无 人 机对 地球磁场的探测服务 。文献 9 介绍 了使用小型固 定 翼无 人 机 搭 载 磁力 仪 对 油气 和 矿 产 资 源 进 行 探 测 。指 出使 用小 型 固定翼 无人 机作 为移 动平 台的原 因 ： 任 务载荷 一 铯光泵 磁力仪 精 度高 、 质 量轻 ( 小 于 1 k g ) ，小 型 无 人 机 完 全 可 以承 载 ； 小 型 无 人 机 可 以近 地飞行( 飞行 高 度 小 于 2 0 m) ，可 以 获得 更 高精 度 的探测 数 据 ；无 人 机搭 载 先 进 的 G P S 惯 导 系统 、高度计 以及控制 精确 的飞行 控制 系统 ，可 以保 证 无人机 按 照规划 飞行路 线精 确飞行 ； 探测 一 般 在 夜 间黑 暗环 境下进 行 ，降低 太 阳活动 和环境 噪声 对探 测 的干 扰 ； 小 型无 人 机 相 比 载人 飞 机 ， 在机体材料上会采用数量更少 、质量更轻的非金属 复合材料，这样机体产生的电磁和重力场对探测仪 器 的影 响更小 。 2 0 0 4 年 ， 加 拿大 F u g r o 公 司投 资研 发 用 于资 源 探测 的无 人机 航 磁 系 统 Ge o R a n g e r ， 用 于沿 海 和 偏 远地 区 的石油 和 矿产 勘 查 。该 无人 机 系 统 ， 近 期 已 进入试 飞阶段。该无人机翼展 3 m， 机身重量 1 5 k g ， 在巡航 速 度 1 0 0 k m h下 ， 续 航 时 间 可 以超 过 1 5 h 。 该 无人 机搭 载铯蒸 汽 磁 力 仪 和 飞行 补 偿 装置 ， 该 装 置用来降低机身运动对探测数据的干扰_ 1 。 1 2国 内主要 应用 在 国内 ， 无 人 机在 地 球 物 理探 测 方 面 的 应用 起 步 较晚 ， 仍处 于研 发 阶 段 ， 与 国 际水 平 相 比差 距 很 大 。随着 国家对能源战略的重视 ， 做好 自有 能源 的 勘查 和 能源储 备被 提 上 议 事 日程 。所 以 ， 我 国正 在 不 断加大 力度 支持无 人机 技术在 资源 探测 方面 的应 用 ， 并取 得 了较 大 的进 展 。2 0 1 0年 ， 中南 大 学 何 继 善 院士 主持完 成 了小 型无 人 直 升 机探 矿 技 术 ， 为 我 国补偿铁矿石来源提供技术支持_ 】 。该无人机搭 载质子旋进磁力仪， 可以对地面下的铁矿有很好的 探测 效果 。由于小 型无人 直升机 非 常适合 在复 杂的 山区地形 飞行 ， 同 时具 有 探 测速 度 快 、 探 测 效 率 高 、 无人员伤亡 的特点， 所以非常适合山区探矿。2 0 1 1 年 ， 国家地球 深部 探测 专项 S in o p r o b e 一 0 9 0 3固定 翼 无人 机航磁 探测 系 统研 制 子 项 目， 对搭 载航 空 磁 力 仪的固定翼无人机进行 了试飞， 取得了 良好 的试验 数据 。该项 目致 力于 高低空 固定 翼无人 机航 磁探 测 系统 的开发 ， 重点 攻关 核心传 感器 、 固定 翼低 磁无 人 机 、 磁 干扰 补偿 、 系 统 集 成 等 关 键 技 术【 1 。该 项 目 正处 于研发 和攻 关 阶段 ， 相 信 不 久 就 可 以推 出我 国 首个 固定翼低 磁无 人 机 航 磁探 测 系 统 ， 为 我 国深 部 科 学探 测和矿 产 资源勘 探提供 一种 安全 高效 的探 测 工 具 。 2 无 人机在 地球 物理 探测 中的应 用方 法 无人机按照机体产生升力方式 ， 可分为固定翼 无 人机 、 旋翼 无人 机 和 无 人 飞艇 。这 三 种 无人 机 各 有 其优 缺点 ： 固定翼 无 人 机 ， 具 有 飞 行速 度 快 、 飞 行稳 定性 好 的优点 ， 所 以它 一 般适 用 于 平 坦 区域 的 地 球资 源勘探 ； 由于 固定 翼无人 机存 在失 速 问题 ， 所 以它 的最小 飞行速 度 一 般都 挺 大 ， 不 适 于要 求 以很 低 速度进 行飞 行 的探 测 需 要 。 旋翼 无 人 机 ， 主要 指无 人直 升机 ， 它可 以 以很 慢 的速度 飞行 ， 甚至 可 以 在 空 中悬停 ， 所 以旋 翼 无 人 机 一般 适 用 于 地形 比较 复 杂 、 要求 飞行 速 度慢 、 跟 随地 形 飞 行 的场 合 ； 缺 点 是续航时间较短， 机身振动较大 ， 对探测仪器的抗震 性 能要求 较高 。 无人 飞艇 利 用 自身 的浮 力 ， 需 要 很 小 的动 力输 出就 可 以 在 空 中悬停 和 飞行 ， 在 环 境 风 速较低 的情 况下 ， 可 以非常平 稳地 飞行 ； 由于耗 能 少 ， 所 以无 人 飞艇 的续航 时间一 般很 长 ； 适 用 于探测 时 间长 和飞行 速度 慢 的 地球 物 理 探 测情 况 ； 缺 点 是 体积 大 ， 受 环境 气 流影 响 较 大 ， 抗 风 能力 较 差 ； 由于 自身惯性 大 ， 受控后 的反 应时 间较 长 。 在实 际勘 探过 程 中 ， 根 据勘 探 环 境 和 技 术 指标 第 7 期 于显利 ，等 ：无人机在地球物理探测 中的应用 1 0 9 不 同 ， 选 择合适 的无 人机 平 台来 完 成任务 ， 可 以较好 地保证 勘探 任务 的完成 质量 ， 提高 探测效 率 。 3 无 人机应 用 于地球 物理探 测存 在 的问题 3 1 无 人机 本身 无 人机本 身 就是一个 非 常复杂 的系统 ， 集 材料 、 飞行控制系统、 数据链、 动力系统等于一身 ， 任何一 部分 出现 问题 ， 都 会 影 响无 人 机 在 地球 物 理 探 测 中 的应用 。如 何提 高无 人 机 的 续航 时 间、 飞 行 控 制 和 任务管理智能化 、 任务载荷重量、 恶劣环境飞行适应 性 ， 是 无人 机能否 广 泛 应用 于 地 球 物理 探 测 的一 个 重要 因素 。 3 2 地球 探测设 备 无人机只是一个空中移动平 台， 而其搭载的地 球 物理探 测设 备 ， 才是 进 行 地球 物 理 探 测 的核 心 工 具 。只有地球物理探测设备 的性能指标都过关 ， 我 们 才有 可能 获得 地 球物 理 场 的 真 实数 据 。然 而 ， 在 物探设备 的研发上 ， 我 国和 国外先进水平还存在不 小 的差距 ， 所 以地球 物理探 测设 备 的研发 任重 道远 。 3 3 耦 合 因素 地球 物 理探测 设备 的性 能参数 都满 足探 测需要 后 ， 还有 一个 问题 很重要 ， 探测 设备 能否 在无 人机 飞 行环境下稳定地工作。即无人机平台本身的电气系 统 、 动 力系 统 、 飞 行 中机 体 与 空 气 摩 擦 产 生 的静 电 场、 空中湍流产生的机身振动等 ， 这些因素都会对探 测设备 产生 不利影 响 。虽然 机载稳 定平 台可 以有效 地降低 机 身振动 对探 测 设 备 的 影 响 ， 但 是 如 何 降低 或消除机体施加的静 电场、 电磁场以及重力场干扰 是一个 需要 解决 的 问题 。 4 结束语 本文 介绍 了 国内外无人 机在 地球 物理探 测上 的 应用 现状 ， 给 出了 固定 翼无 人机 、 旋翼 无人机 和无 人 飞艇 在资 源勘探 应 用上 的特 点 ； 介 绍 了无 人 机 应 用 于地 球物 理探 测存 在 的主 要 问题 。总 的来 说 ， 无 人 机是 一种 高效 的探 测 移动 平 台 ， 具 有 有人 机 无 法 比 拟 的低功 耗 、 灵 活 、 低 风 险特 性 ， 是 有 人航 空 物 探 的 理想替代工具。随着我 国经济建设持续增长， 对各 种矿产、 石油、 天然气资源 的迫切需求 ， 相信无人机 地球物理探测技术在我国资源勘探上具有广阔的应 用前 景 。 _ 参 考文献 P a u l G F a h l s t r o m， Th o ma s J Gl e a s o n 无人机系统导论E M 2版 北京 ： 电子工业出版社 ， 2 0 0 3 韩 文权 ， 任幼蓉 ， 赵少华 无人机遥感在 应对地质 灾害中的 主 要应用E J 地理空 间信息 ， 2 0 1 1 ， 9 ( 5 ) ： 6 - 8 臧 克， 孙永华 ， 李京 ， 等 微型无人 机遥感 系统在汶川地震中的 应用E J 自然灾 害学报 ， 2 0 1 0 ， I 9 ( 3 ) ： I 6 2 - 1 6 6 P J Z a r c o Te ia d a ，V Go n z d l e z D u g o ，J A J B e r n i Fl u o r e s c e n c e t e mpe r a t ur e a n d n a r r o w- b a n d in d ic e s a c q u ir e d f r o m a UAV p l a t f o r m f o r wa t e r s t r e s s d e t e c t io n u s in g a mi c r o - h y p e r s p e c t r a l i ma g e r a n d a t h e r ma l c a me r a E J Re mo t e S e n s in g o f En v ir o n me n t 。 2 01 2 ， 1 1 7： 3 2 2 - 3 3 7 H a it a o Xia n g， Le i Tia n De v e l o p m e n t o f a l o w- c o s t a gr ic u l t u r a l r e m o t e s e n s in g s y s t e m b a s e d o n a n a u t o n o mo u s u n ma n n e d a e r i a l v e h i c l e( UA V) J 3 B i o s y s t e ms e n g i n e e r i n g ， 2 O 1 1， 1 O 8： 1 7 4 1 9 O 张 园， 陶萍 ， 梁世祥， 等 无人机遥感在森林资源调查 中的应用 F J 西南林业大学学报 ， 2 0 1 i， 3 1 ( 3 ) ： 4 9 5 3 U Nie t h a mme r ， MR J a me s ， S Ro t h mu n d ， e t a 1UAV b a s e d r e mo t e s e n s in g o f t h e S u p e r - S a uz e l a n ds l id e ： Ev a l u a t io n a n d r e s u l t s J E n g i n e e r in g Ge o l o g y ， 2 0 1 2 ， 1 2 8 ： 2 - 1 1 P RM e Gil l ， KRRe is e nb ic h l e r ， S AEt c h e me n d y， e t a 1 Ae r ia l s u r v e y s a n d t a g g in g o f f r e e - d r if t in g ic e b e r gs us in g a n u n ma n n e d a e r i a l v e h i c l e( UAV) J - 1 De e p - S e a R e s e a r c h， 2 O1 1 ， 5 8： 1 3 1 8 1 3 26 Dr J o s e p h A The u s e o f Un ma n n e d Air c r a f t in Oil ， Ga s a n d Mi n