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固定翼时间域航空电磁勘查系统——中国地质科学院阶段性成果展示

2012-10-15

一、项目简介

固定翼时间域航空电磁法(Fixed-wing Airborne Time-domain Electromagnetic Methods,缩写为FTEM)具有探测深度大、测量精度高的技术特点,自20世纪50年代末INPUT系统问世以来,固定翼时间域航空电磁法方法、硬件研发的核心技术一直为美国、加拿大、澳大利亚等少数西方发达国家所掌握。FTEM系统被广泛地应用于地质调查、矿产勘查、水资源调查、农业土壤检测、环境检测等领域,,世界范围内由时域航电系统发现的各类块状硫化矿、金矿、金刚石矿等不胜枚举。

为满足我国地质普查及矿产勘查的需求,国家高技术研究发展计划(863计划)于2007年立项并启动了固定翼时间域航空电磁勘查系统研发课题。截至2011年年底,经过近4年多的科研攻关,课题组在专用飞机改装设计、大磁矩发射、三分量宽带接收、实时全波形数据收录等核心、关键技术领域取得了突破性进展,研制成功了基于国产Y12IV型飞机,具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁系统空中样机。系统样机成功完成了半航空试验试飞,稳定性、可靠性、探测能力、性能指标得到了全面验证,填补了我国在这一领域的技术空白。

二、主要创新成果

1.专用飞机改装技术研究

时间域航空电磁系统改装对固定翼飞机气动外形影响巨大,每一项细小的改装设计都会直接影响飞机的安全及性能,类似的改装在国内航空界尚无先例。课题组基于国产Y12IV型轻型固定翼飞机,依托哈尔滨飞机制造集团飞机设计研究所、哈飞航修有限公司、中国飞龙通用航空有限公司、南京航空航天大学等研究单位及企业科研力量,开展了大量的时间域航空电磁探测系统改装后的空气动力学理论计算,试制了1:8.5时域航电飞机系统的金属模型和1:21:8.51:20等不同比例尺接收吊舱模型,进行了400多小时的模型风洞试验,论证了Y12IV型飞机改装时间域航空电磁探测系统的可行性。在解决了飞机安定性、阻力增加、发射线圈共振、接收吊舱抛放收起等气动难题后,最终完成了改装方案设计。

在改装方案及时间域航电系统任务目标需求基础上,开展了Y12IV型时间域专用飞机的改装图纸设计、机体加强件设计加工、前撑杆金属件设计加工、后支撑尾筒、翼尖挂架、接收吊舱等特殊复合材料件设计加工等工作。发射线圈挂架可根据需要安装16匝发射线圈,研制了专用的紧急情况可自动切断的接收吊舱电动绞车收放系统,研制了气动平稳的水滴状接收吊舱。

2.时域航电仪研制

1)大磁矩电磁发射技术研究

Y12IV型飞机只能提供约5.6 kW供电量、800 kg商载给时间域系统使用。供电量及商载仅分别为国外同类系统的约67%57%,有限的供电量、商载,使得实现与国外系统相当的大磁矩发射异常困难。课题组查阅了大量国内外技术论文、专利等文献资料,从各种相关领域的大功率应用中汲取有益的技术信息,研发了超级电容间歇充放电、组合波发射等专利技术,攻克了大磁矩发射的技术难题。

通过电子线路仿真分析及计算,研发了组合波发射技术,解决了上升沿、下降沿及波形可控难题,实现了近似方波发射;研发了超级电容器升压供电技术,解决了大电流发射难题,实现最大600A峰值电流;研究了过压、过流、过热保护技术,解决了大功率长时间发射可控性、稳定性难题。发射机采用3D实体设计技术,实现了模块化组装调试,样机制造工艺水平得到保证。

研制的准谐振可控沿大磁矩发射样机,基频25 Hz、脉宽3.8 ms时峰值发射电流达到600 A,峰值磁矩达到508,000 Am2,下降沿1.2 ms。发射基频有12.5 Hz25 Hz75 Hz,可供选择。

2)高灵敏度三分量接收技术研究

高灵敏度宽带三分量航空电磁感应线圈接收技术在国内是空白。课题组先后研制了数十套外形、线材、绕制方法、物理参数、电参数、静电屏蔽技术各不相同的试验性感应线圈传感器,积累了大量试验数据和经验,最终研制成功轻量化几何对称三分量正交感应线圈接收传感器,三分量物理参数及电参数基本一致;解决了电屏蔽技术及最佳阻尼匹配技术,研制的接收分系统带宽达到020 kHz,等效接收面积20000 m2;研制了差动放大低噪声前置放大器及长线传输驱动电路;研发了三轴动稳避振技术,解决了航空条件下接收传感器避振技术难题,有效降低了接收线圈飞行过程中振动噪声对系统测量性能的影响。

3)数据收录系统研制

基于NI PXI总线架构及工业标准的PXI数据采集卡,研制成功了一套具有通用性、扩展性、性能稳定可靠的工业级数据收录系统。在LabWindows / CVI软件平台上,采用多线程技术编程,研发了实时性强、代码继承性好、易于升级及扩展功能的数据收录软件ATEMDAQ v1.0版。

数据收录系统的实时并行4通道数据采集分辨率达到24 bit,最大采样率100 kHz,可全波形记录XYZ三分量二次场响应信号和发射电流波形,实时数据收录、存储速率≥4.0 GByte/Hr。该数据收录系统的各项性能初步达到与同类系统相当的技术水平。

3.方法及数据处理技术研究

课题组研究了时间域固定翼航空电磁一维和三维数值模拟方法,采用有限差分完成了时间域固定翼航空电磁一维、三维响应规律的正演模拟,开发了时间域固定翼航空电磁一维、三维正演程序。根据模拟的波场快照,分析了时间域固定翼航空电磁场的传播特点,给出了不同模型参数的响应曲线;分析了时间域固定翼航空电磁一维、三维瞬变响应规律,为系统设计和反演解释提供理论支持。

研究了时间域航空电磁数据预处理技术,包括滤波去噪处理、时间道抽取、叠加处理等。研究了小波域滤波、锥状滤波、递归滤波、均值滤波、移动平均滤波、Vondrak平滑滤波技术,以及滤除雷电噪声的组合滤波技术,开发了相应程序。针对时间域航空电磁数据叠加次数少的特点,开发了加权叠加、移动叠加、带通叠加等特殊的叠加技术,有效提高了信号噪声水平。研究了时间道抽取技术,开发了算数平均、几何平均道内叠加处理程序。基于上述研究成果,开发了ATEMDPS v1.0固定翼时间域航空电磁数据预处理程序。

开展了时间域固定翼航空电磁快速成像方法研究,实现了基于扩散深度成像的CDI方法,完成了一维、二维模型成像算例。研究了Occam反演、基于奇异值分解的阻尼最小二乘反演、自适应正则化反演、飞行高度同时校正的反演等反演方法。开发了1.0版固定翼时间域航空电磁法资料处理与解释程序。

4.系统集成及半航空试飞试验

固定翼时间域航空电磁系统空中样机研发完成后,开展了地面集成调试和测试,以及发射、接收、数据收录等分系统在不同温度环境下(5℃~35℃)长时间工作(≥5小时)的稳定性、可靠性试验。为检验接收系统的工作性能,与Crone PEM地面时间域探头进行了对比试验,相同测试条件下等效噪声水平相当,响应曲线基本一致。

成功开展了地面大磁矩发射、空中接收的偶极–偶极形式半航空试飞试验,接收、数据收录分系统在航空条件下工作可靠稳定,无仪器故障返航;接收吊舱飞行平稳,气动设计得到了验证。共飞行7架次约12个飞行小时,取得了230 GB宝贵的试验数据。发射分系统在地面发射500,000 Am2磁矩时,接收分系统在300600 m高度检测到了清晰的大地二次场响应信号,300 m高度可探测到铺设在地表的短路线圈引起的人工异常。时间域航空电磁探测系统空中样机的各项性能指标,经半航空验证满足设计要求,具备了开展固定翼全状态空中调试、性能验证试飞的能力。

三、后记

目前,课题在50×104 Am2大磁矩发射、接收吊舱气动外形设计、接收吊舱避振、轻量化低噪宽带三分量感应式传感器研制、海量数据全波形实时收录、飞机改装等关键技术方面取得突破性进展,成功研制了基于国产Y12IV型专用飞机的完全自主知识产权的大勘探深度时间域固定翼航空电磁勘查系统空中样机,使我国掌握了固定翼时间域航空电磁勘查系统研发的核心技术,填补了我国在该领域的技术空白。课题现有的成果为最终研制成功适合我国国情、实用的大勘探深度固定翼时间域航空电磁勘查系统奠定了坚实的基础。

创新团队简介

胡平,课题组组长,副所长,课题负责及总体协调。主要从事瞬变(时间域)电磁法方法技术研究和应用工作。承担完成了国家“八五”科技攻关项目“地球物理地球化学及遥感等新技术在矿产勘查评价中的应用”研究课题中“TEM测深方式”子专题研究、国家地质矿产“八五”重点科技攻关项目“地井TEM工作方法及解释技术研究”和“瞬变电磁法研究及应用”专题研究、国家攀登项目课题:“应用地球物理方法找寻隐伏大矿富矿的研究”项目中“综合物探方法找寻铜、多金属大矿富矿的研究”专题等。承担香港“地球物理调查”中地面重磁电震综合物探调查和海上旁侧声纳、多波束测深、多谱勒声学剖面等综合地球物理测量技术应用研究与调查项目,主持开发出多项先进的地面及海洋物探数据处理和解释技术及计算机软件系统。结合定向科研项目“内蒙古布敦花铜矿瞬变电磁法找矿应用研究”,为布敦花铜矿扩大矿区远景储量17万吨。主持完成了西藏羌塘盆地和错勤盆地的大地电磁测量和物化遥综合勘查技术的应用研究,为青藏高原油气资源的战略评价提供了有效手段和高价值的科学依据。

孟庆敏,副组长,航空物探研究室主任,负责课题方法技术研究。主要研究方向是航空电磁方法研究、航空电磁正反演研究、数据处理解释方法研究等,是我国航空电磁法学科带头人。从1995年开始,作为项目负责人,主持各级别航空物探(电/磁)项目8个。

李文杰,副组长,航空物探研究室副主任,全面负责课题仪器系统、飞机改装等总体设计、集成调试,并负责数据收录分系统研制子课题、集成调试子课题、数据处理子课题主要研究方向是航空电磁法仪器系统研制、航空电磁法数据处理等。承担了国家重点科研项目“三频航空物探(电/磁)综合站研制”项目中“微机数据收录系统研制”课题,研制了多块智能数据采集控制板卡,并编写了配套软件。承担三频航空电磁综合站由Y-11B飞机改装到Y-12飞机的收录系统研制任务,研制完成“多线程空中数据采集及导航软件”、“航电、航磁平剖图处理软件”等。作为航电仪器负责,参加了航空物探电磁综合站生产项目4个,正在进行的1个。除航空物探外,还参加了香港工程物探项目,独立研制了“YSI水质监测数据处理软件”、“ADCP多普勒声学洋流数据及图象处理软件”、“GPR地质雷达数据处理及成图软件”、“iNavigator自动导航软件”等,主持完成数十个水质监测、ADCP、多波束测深、GPR等海上及陆地物探工程。

陈晓东,副组长,负责接收分系统研制子课题。从事高温超导在地球物理中的应用研究工作,主持并参加了国家高科技重点攻关项目、863计划课题、973计划课题、国家高技术应用部门发展项目、国家地质大调查项目。在这些项目中主要承担高温超导磁强计的电子线路研制工作。担任课题负责“高温超导量子干涉器超导磁强计在地球物理勘查中的应用研究”项目获2004年国土资源科技二等奖。先后在核心刊物上发表论文十余篇。

李军峰,副组长,负责发射分系统研制子课题。长期从事航空电磁法仪器研制、改进工作及其应用研究。承担了国家重点科研项目“三频航空物探(电/磁)综合站研制”项目子课题“HDY-301三频航空电磁发射系统的研制”。2001年作为技术负责成功主持了Y12航空电磁系统的改装工作。2003年主持了三频航空电磁系统HDY-401收发系统的研制工作。并于19982006期间参加了5个航空物探电磁综合站生产项目。除航空物探外,还参加了香港工程物探项目,作为项目经理主持了十多项海上物探工程项目。

王绪本副组长,成都理工大学研究生院副院长,负责二三维正反演研究子课题。主要从事矿产电磁勘探、大地电磁测深、城市地球物理勘查科研工作。负责国家自然科学基金项目“电磁场概率成像及其在地下水勘查中的应用”、“城市灾害生命搜索与救助的超宽带电磁探测方法研究”等;承担国家“十五”科技攻关项目课题“高新技术在古文化遗存无损探测与成像中的应用研究”等项目。先后获部省级科技成果二等奖2项、三等奖5项。

宋洪兴,哈飞飞机设计所,原Y12总设计师,负责飞机改装设计子课题。