航空地球物理装备研发与技术发展回顾

孟庆敏, 李军峰, 肖 都, 胥值礼, 廖桂香,崔志强, 西永在, 黄 威, 贲 放

(1.中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所，廊坊 065000;2.自然资源部地球物理电磁法探测技术重点实验室，廊坊 065000;3.国家现代地质勘查工程技术研究中心，廊坊 065000)

0 引言

航空地球物理勘探(航空物探)是以飞行器作为搭载工具开展地球物理勘查的技术方法，通过对采集的地下介质的地球物理信息进行解译，研究地下构造，地质体分布，解决基础地质及矿产、环境等问题，具有快速、高效、应用领域广、不受地面因素限制等优势，可在高山、湖泊、沼泽、森林等地面人员无法进入的区域开展工作[1-3]。作为“十四五”及国家远景目标推动地质调查工作转型升级的重要技术手段，航空物探在保障我国自然资源安全、建成地球系统科学理论与探测技术体系、查明区域重大资源环境问题、实施国家重大工程建设安全评价等方面有着重要的支撑作用。

第二次世界大战期间，为了探测潜艇，将磁力仪安装在飞机上进行测量，航空物探由此诞生[4]。此后，1944年至上世纪50年代末，航空放射性测量，航空电磁法测量，航空重力测量相继开展。从上世纪80年代开始，航空物探在矿产普查、区域地质调查、水文地质调查、工程地质勘查等方面发挥了重要作用。我国航空物探工作起步于20世纪50年代，1959年，作为我国最早研究开发航空物探测量系统的单位之一，物化探所联合航空物探队等8家单位联合研究航空电磁测量系统，研发了长导线半航空电磁测量系统，从此拉开了国内航空物探研究的序幕[5]。从1959年到2006年，航空物探研究的重点是研发航空电磁测量系统，同时集成航磁，形成航空物探(电/磁)综合测量系统。上世纪70年代物化探所成功研发了固定翼频率域航空电磁测量系统，后改进定型为HDY-302型航空电磁仪，与航空磁测系统共同安装于Y11飞机上，形成Y11航空物探(电/磁)综合测量系统。该系统是上世纪我国唯一的自主研发航空物探综合测量系统，在山东、安徽、吉林、辽宁、河北、江西、江苏等地完成了超过16×104测线千米的测量，在金矿普查、浅层水资源调查、基础地质调查等方面效果显著；1997年物化探所研发了三频航空电磁测量系统，与航磁系统一起安装在Y11B飞机上，组成Y11B航空物探(电/磁)综合测量系统。2001年，系统再次升级，形成Y12航空物探(电/磁)综合测量系统，在甘肃和吉林进行了浅层水资源调查，成效显著。频率域航空电磁系统具有安全、测量效率高等优势，但探测深度相对较浅[6-10]。

图1 Y12航空物探(电/磁/放)综合站Fig.1 Y12 airborne geophysical (electromagnetic/magnetic/gamma spectrometer) complex station

“十一五”以来，经济社会迅猛发展，作为重要支撑，国家对水资源、矿产、油气等自然资源的需求日益增大，环境监测、灾害预警等领域也亟需完善，故而创新驱动新型地质环境探测装备的研发势在必行。2006年至2021年，国家启动国家高技术研究发展计划(863计划)以及国家重点研发计划均对航空地球物理勘查技术与装备研发进行了大力支持，研发成功了iFTEM固定翼时间域航空电磁测量系统，并开展了试生产工作，各项技术指标均达到或超过国外同类系统的先进水平，探测深度、数据噪声水平满足实用化需求，为我国目前唯一的固定翼时间域航空电磁测量系统[11-15]。与此同时，直升机时间域航空电磁系统以及国产有人机、无人机航磁系统也成功研发。2007年～2008年，在地质调查项目的支持下，以三频航空电磁系统为主，集成航磁、航放于Y12飞机上，组成Y12航空物探(电/磁/放)综合测量系统，在内蒙开展了大面普查工作，取得了显著的地质效果[16-22]。此外，近15年来，物化探所还在国内首次引进并集成了直升机航空物探(磁/放)综合测量系统，该系统适合复杂地形条件下开展航空物探测量，引领了我国直升机航空物探综合测量的先河[23-25]；研发了基于中型无人机的航空物探(磁/放)综合测量系统，并进行了大面积测量工作，在油气盆地基础地质调查中发挥了重要作用[26-28]；除系统研发和综合测量外，数据处理方法技术研究以及软件平台研发也取得了丰硕成果[29-33]。

这里以物化探所航空物探装备研发、数据处理与解释、应用领域等为切入点，简要介绍近15年航空物探领域取得的技术创新与突破，应用成果与进展，并对航空物探的未来发展进行了展望。

1 频率域航空电磁测量系统和Y12航空物探(电/磁/放)综合站

1.1 仪器装备研发进展

自上世纪70年代，我国先后成功自主研发单频、双频、三频等HDY系列频率域翼尖硬架航电系统。2000年以来，HDY-402三频航电系统与航磁、航放组成Y12航空物探多参数测量综合站，广泛应用于区域地质调查、岩性填图、多金属矿产勘查、浅层水资源调查、土壤盐渍化调查等方面，并在吉林白城、内蒙古二连浩特-东乌旗等地区完成了超过52×104km的勘查工作，取得了较好的地质效果[3,10]。

1.2 系统应用成果

电/磁/放航空物探综合站是航空电磁、航空磁法和航空伽玛能谱三种方法的综合，多参数测量可以提高航空地球物理地质解释效果，尤其在研究区域地质构造、圈定断裂带、火成岩体、进行岩性构造填图以及开展铁、有色金属等成矿预测方面效果显著。Y12航空物探(电/磁/放)综合站自应用以来，编录航电异常近500个，航磁异常近5 000个，航放异常一百余个，划分线性构造六百余条，环形构造近100个，圈定隐伏岩体壹佰八十余个，划分各类找矿远景区一百余个，各类找矿靶区一百二十个。图2是根据航空物探综合测量筛选出的航电异常，经地面查证表明该异常带是含矿化断裂破碎带的反映。盐渍化与地下水关系密切，图3是吉林白城航电推断土壤盐渍化图，含盐量越高，电性越好，反之亦然[6-7]。

图2 内蒙某区航空电磁异常综合剖析图Fig.2 Comprehensive analysis map of airborne electromagnetic anomaly in a region of Inner Mongolia(a)频率域航电综合曲线图;(b)地质背景

图3 白城航空电磁推断盐渍化程度图Fig.3 Degree of salinization inferred by airborne electromagnetic in Baicheng

图4 iFTEM-Ⅱ固定翼时间域航空电磁系统Fig.4 iFTEM-II Fixed-wing time domain electromagnetic system(a)系统整备状态;(b)接收吊舱;(c)数据收录系统;(d)隔离高压电源与发射机

图5 内蒙古兴安盟地区某测线电阻率反演及地质解译剖面图Fig.5 Resistivity inversion and geological interpretation profile of a survey line in Hinggan League, Inner Mongolia(a)电阻率深度反演图;(b)地质解译图

图6 直升机航空物探(磁/放)综合测量系统Fig.6 Helicopter airborne geophysical (magnetic/ gamma spectrometer) integrated survey system(a)仪器柜背板插口;(b)导航软件界面;(c)铯光泵磁力仪;(d)直升机航空物探综合测量系统;(e)仪器操作面板;(f)地面测试;(g)航磁探杆支架

图7 直升机航空物探(磁/放)综合调查成果Fig.7 Comprehensive results of helicopter airborne geophysical (magnetic/ gamma spectrometer) survey(a)航磁ΔT等值线平面图;(b)航空伽马能谱总量等值线平面图;(c)航空物探推断岩性构造图;(d)航磁ΔT化极图;(e)岩体三维反演图

2 时间域航空电磁测量系统

2.1 仪器装备研发进展

频率域航空电磁法对于埋藏较浅的目标体具有较强的分辨能力，但是探测深度较浅，薄层探测能力弱，不能满足当下深地探测目标的需求，亟需时间域航空电磁的研发。因研发技术难度大，涉及学科广，专用化程度高，西方国家长期对我国进行技术封锁和设备禁卖。在2006年和2012年国家863计划的支持下，经过十余年的创新研发，于2015年研发了iFTEM-Ⅰ型固定翼时间域航空电磁系统并开展了2 000测线千米的科研试飞，但是由于其有效勘探深度和单架次续航能力需要进一步完善以满足实用化需求，2017年，在国家重点研发计划的支持下，在iFTEM-Ⅰ型系统基础上，突破了瞬时千安级多波脉冲发射、动态强干扰下微弱信号提取、复杂气动外形飞行器改装与试飞、数据精细化处理及三维正反演等技术难题，研发了iFTEM-Ⅱ型固定翼时间域航空电磁系统，关键性能指标超过国外同类型系统，核心部件全部实现自主设计和国产化,探测深度超过650 m，噪声水平优于2n T/s,在基础地质、水文地质调查示范应用中取得明显成效,填补了我国固定翼时间域航空电磁探测技术装备空白[34-37]。“十三五”期间，我国自主研制的直升机时间域航空电磁系统和航空大地测量系统也完成了试验飞行[38]。

2.2 系统应用成果

时间域航空电磁系统在区域性基础地质调查、地下水资源勘查、重要金属矿产普查、生态环境与灾害调查等方面能发挥重要作用，能够为快速解译地质构造、识别含水层结构、圈定多金属成矿远景区、划分土壤盐渍化等提供技术支撑。iFTEM-II固定翼时间域航空电磁系统2021年在吉林白城-松原、内蒙古兴安盟等地区开展了航空电磁测量工作。在浅部，清晰刻画了含水层、隔水层等结构变化，与已有水文地质资料高度吻合，新圈定了富水有利区域；在深部，解译了800 m以浅白垩纪地层电性结构及活动断裂空间展布，与已知钻孔、测井资料对应良好。应用成果有效支撑了松嫩平原山前地带地质构造复杂区和低平原区基础地质、水文地质调查工作[39-40]。

3 航空物探(磁/放)综合测量系统

3.1 仪器装备研发

2010年，物化探所在国内首次引进并集成了直升机航空物探(磁/放)综合测量系统。通过技术创新，掌握了包括航空磁/放集成技术、安装调试及飞行技术、磁干扰动态补偿、数据处理及解释在内的整套方法技术。此后，通过调查实施，直升机航空物探(磁/放)综合测量技术成为国内地形复杂区基础地质调查、矿产地质普查主要的航空物探方法技术[41]。

3.2 系统应用成果

近十年来，运用该测量系统完成了大面积的高精度调查任务，先后在湖南、贵州、江西、陕西、甘肃等地多个重要成矿区带完成了逾50×104测线千米的调查任务。该系统具分辨率高、地形适应能力强、机动灵活等优点。高质量测量成果展示出相关地质构造的新信息，新发现与矿化、隐伏岩体或构造相关的航磁、航空伽玛能谱异常数百处，圈定数十个找矿有利远景区和靶区。经初步查证，新发现多处找矿有利矿化蚀变线索，为成矿带基础地质研究和矿产勘查提供了高质量的地球物理资料，获得了广泛认可[23-24]。

4 无人机航空物探综合测量系统

近十五年来，国内无人机航磁测量技术研究方面取得了一系列重要成果。物化探所在无人机航磁改装与系统集成，数据处理与软件平台开发等方面取得了重要成果。

4.1 无人机航空物探(磁/放)综合测量系统

2013年～2015年，基于国产彩虹3(CH-3)中型固定翼无人机，研制了国内首套实用化的中型无人机航空物探(磁/放)综合测量系统，实现了我国实用化无人机航空物探综合测量系统从无到有的转变，取得了显著的社会经济效益。突破了无人机平台改装、远程测控、超低空随地起伏飞行、三维航迹规划、数据处理技术等关键技术。系统具有长航时、全夜航、精准测控等优势，可安全、高质、高效地完成大规模航磁测量任务。完成了国内外油气、矿产资源无人机航空物探调查任务总计约26×104测线千米，取得了高质量的航空物探测量数据和很好的地质效果。该系统曾分别获得2013年中国地质学会十大地质科技进展奖、2013年中国地质科学院十大科技进展奖[27,42-43]。

图8 CH-3中型无人机航空物探测量系统Fig.8 CH-3 Aeromagnetic measurement system for medium UAV(a)无人机航空物探测量系统;(b)地面测控站;(c)飞行状态

4.2 小型无人机航磁测量系统

由于小面积精细航空磁法测量的需求不断增加，自2017年起，在CH-3固定翼无人机航空物探(磁/放)综合测量系统成功研发的基础上，精准把握市场方向、主动拓展技术领域，迅速开展了更加灵活的、基于垂直起降无人机平台的航磁测量系统研究，成功研制了小型化航磁收录系统，研发了无人直升机、复合翼无人机和多旋翼无人机航磁测量系统，完成近2 000 km的试生产飞行，取得了高质量的测量数据[44]。

图9 CH-3无人机和Y12有人机航磁测量效果对比图Fig.9 Comparison of aeromagnetic measurement effect between CH-3 UAV and Y12(a)CH-3无人机航磁ΔT等值线图;(b)Y12有人机航磁ΔT等值线图

图10 自主研发小型航磁收录系统Fig.10 Self-developed small aeromagnetic collection system

图11 多种小型无人机平台的航磁测量系统Fig.11 Aeromagnetic measurement system for a variety of small UAV platforms(a)iHUAM无人直升机航磁测量系统;(b)iHVUAM无人复合固定翼航磁测量系统

图12 基于oasis montaj 平台的航空物探(磁/电/放)数据综合处理软件系统Fig.12 The integrated processing software system of airborne geophysical (magnetic/electrical/gamma spectrometer) data based on oasis montaj platform

图13 自主开发的航迹规划及数据处理平台Fig.13 Independently developed platform for track planning and data processing(a)航迹规划;(b)飞行高度设计;(c)航磁补偿曲线图

图14 固定翼时间域航空电磁数据处理软件系统Fig.14 Fixed wing time domain airborne electromagnetic data processing software system

这些小型化无人机平台的航磁系统，既具有固定翼无人机飞控精度高、全天时作业、成本低、人员安全等优点，又具有垂直起降能力，运输极为方便，只需两名飞控员即可开展工作，野外飞行作业十分灵活，可以作为有人机和滑跑中大型无人机航空地球物理测量系统的有效补充，特别是在中小面积详查方面具有很好应用前景。

5 航空物探数据处理和软件平台

5.1 航空物探(磁/电/放)数据综合处理软件

2010年～2012年，基于加拿大Geosoft公司Oasis montaj软件平台，研发了实用化的航空物探(磁/电/放)数据综合处理软件系统，形成了一套较完善的航空物探数据处理技术体系。系统具备航磁、频率域航电、航放数据批处理功能，在多个航空物探项目中得到了广泛应用，累计完成了超过90×104测线千米航空物探调查数据综合处理，取得了高质量基础成果数据。系统应用效果显著，对提高海量数据处理解释的质量和效率起到了重要作用[45-54]。

此外，针对无人机在起伏地形环境的自主飞行、以及航磁数据的快速处理等需求，在Geosoft软件平台上二次开发了一系列具有自主知识产权的无人机航空地球物理综合处理平台。

5.2 自主研发航空物探大数据处理软件平台

2017年-2021年，物化探所自主研发了航空物探数据处理软件平台，打破了长期依赖国外软件平台的局面，在大数据支撑方面具有独特优势。采用面向对象数据库技术，突破了大数据存储、显示和处理瓶颈，实现了海量、多样数据(多类型/多采样率)统一存储管理和可视化展示，解决了数据存储格式不统一、数据管理混乱、数据存取效率低下等问题。该平台已成功应用于固定翼时间域航空电磁数据处理软件系统，取得了显著应用效果。

数据处理方面，针对固定翼时间域航空电磁系统数据特点，攻克了多源噪声压制、背景场去除、叠加抽道、姿态校正等技术难题，形成了数据预处理技术流程，突破大数据存储、处理、显示的瓶颈，创新研发了时间域航空电磁数据处理平台，显著提高了数据处理效率，噪声水平优于2 nT/s，为系统实现大深度探测及精细化解译地下电性结构提供了必备前提[55-63]。正反演方法技术方面，国内大量学者进行了航空电磁正反演理论与应用研究，在推进航空电磁数值模拟技术，装置参数设定，反演解释实用化等方面起到重要推动作用[64-66]。

6 总结与展望

近15年来，物化探所研发了具有世界先进水平的固定翼时间域航空电磁测量系统，并在方法技术研究、数据处理和综合解释等方面取得积极进展，已经形成了实用化的测量系统；在自主研发的三频航空电磁测量系统的基础上，集成了航磁、航放，形成了固定翼航空物探(电/磁/放)综合测量系统，并进行了大量飞行测量，地质效果突出；在国内首先研发成功基于直升机的航空物探(磁/放)综合测量系统，并在全国推广，成为复杂地形条件下航空物探综合测量的标配；研发成功了基于CH-3中型无人机的航空物探(磁/放)综合测量系统并开展了油气资源集成调查；研发成功了轻量化航磁测量系统并安装在无人机直升机、复合翼无人机、多旋翼无人机等多种小型无人机平台，形成了适合不同条件的无人机航磁测量系统。针对上述航空物探方法，研发了具有自主知识产权的数据处理和软件平台。

航空物探作为推进自然资源勘查前沿技术发展的重要方法技术，对于支撑经济社会发展、资源与环境开发与监测、地质灾害监控预警等领域有着重要发展前景，为了更好适应不同的需求，仪器装备方面，应以现阶段研究成果为基础，根据国家及市场需求，将进一步集成创新研究，形成航空电、磁、重、放综合测量装备，继续开发直升机、无人机、主动源、被动源等综合系统，降低勘查成本，提高系统可靠性，扩展应用领域。数据处理与解释方面，进一步丰富数据去噪与校正方法技术手段，提高数据信噪比，联合处理反演多种航空地球物理数据，降低多解性，提高数据处理精度，并利用综合地质建模等方法技术研究，提高数据处理与解释水平；应用领域方面，进一步拓展应用领域，开展区域性基础地质调查、地下水资源勘查、重要金属矿产普查、生态环境与灾害调查等，为快速解译地质构造、识别含水层结构、圈定多金属成矿远景区、划分土壤盐渍化等提供高新技术支撑。