基于P-750 固定翼飞机的自动化航放/航磁测量系统研制

李江坤，武雷超，张伟，卢亚运，张光雅

（1.核工业航测遥感中心，河北 石家庄 050002；2.中核集团铀资源地球物理勘查技术中心（重点实验室），河北 石家庄 050002；3.河北省航空探测与遥感技术重点实验室，河北 石家庄 050002）

航空地球物理探测，简称航空物探，是地球物理勘探技术与航空技术相结合的一门高新技术。具有快速高效、成本较低、覆盖面广、信息量大等优势，是基础性和公益性地质调查、战略性矿产勘查的重要手段，在国民经济发展的各个领域发挥了十分重要的作用［1-2］。航空物探测量方法主要包括航放、航磁、航电和航重4 种方法，目前在铀矿找矿工作中主要以航放和航磁测量为主。我国航放和航磁测量技术经过60 多年的发展，在仪器设备、方法技术和勘查成果方面取得了一系列重大进展，特别是航放测量技术已经达到世界领先水平［1］。

近年来，航空物探仪器朝着自动化［3］、智能化方向发展。在航空物探生产工作中，为降低测量成本和安全风险，国内外逐渐推行无人值守的作业模式。2011 年起，中国国土资源航空物探遥感中心和中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所等单位开展了航空物探测量无人值守作业模式探索，并开展了生产作业试验，但这种作业模式无法对测量数据质量和仪器工作状态进行实时监控。为提高航空物探作业效率，提升自动化作业水平，研制了自动化航放/航磁数据采集系统，以P-750 固定翼飞机为平台，集成航放/航磁测量系统，开展了试验应用。

1 自动化航放/航磁测量系统总体设计

自动化航放/航磁测量系统主要由自动化数据采集系统、晶体探测器、磁传感器、供电单元、机载监控系统和北斗传输系统组成（图1）。基于高性能机载工控机设计了自动化数据采集系统，通过网口和串口等接口连接晶体探测器、磁传感器等外部设备［4］，实现了系统上电后自动启动、采集和存储数据。同时基于Kinco MT4523T 人机交互平台（简称HMI）为硬件平台，设计了机载监控软件；基于北斗卫星导航系统设计了数据传输和地面监控系统。通过上述研究工作，实现了航放/航磁测量工作的自动化。

图1 系统组成框图Fig.1 System composition block diagram

1.1 硬件设计与组成

项目团队自主研制了自动化数据采集系统，与晶体探测器、磁传感器和辅助测量单元组成了自动化航放/航磁测量系统。

1.1.1 自动化数据采集系统

自动化数据采集系统设计由中央处理器、接口电路、数据采集电路等部分组成（图1），具体是以高性能机载工控机为平台进行开发，输入电压为VDC28 V，数据采集板采用CPCI 总线结构，可实现对上述各传感器数据的采集和处理分析。同时，通过发送指令，控制上述各传感器的工作状态。例如，通过向晶体探测器发送高压和增益调整指令来调节探测器内运算放大器的高压和增益参数来实时调整能谱的峰位，保证探测器输出的能谱曲线在正常峰位上。

设计了供电单元提供整个系统的电源需求（图2）。J3 为电源输入接口；U1 和U2 为DC/DC 模块，实现不同电压的转换；J1、J2 和J4 为电源输出接口，为系统组件提供不同标准的电源。

图2 电源设计图Fig.2 Power supply design drawing

1.1.2 测量系统组成

航放/航磁测量系统由上述自动化数据采集系统、RSI 晶体探测器（下测50.4 L NaI（Tl）晶体，上测8.4 L NaI（Tl）晶体）、高灵敏度航空磁力仪（包括磁探头、前置放大器、磁通门和磁补偿器等）、温湿度计、气压高度计、雷达高度计和GPS 等设备组成。

探测器是用于测量放射性信号（包括能谱窗数据和全谱数据）的传感器，为可扩展结构，包括NaI（TI）晶体、光电倍增管（PMT）、信号放大器、脉冲幅度分析器和数据缓存器等部件，通过网口连接到自动化数据采集系统的网卡（RJ45 接口）上。

高灵敏度航空磁力仪用于采集地磁场信号，通过串口（RS-232 接口）连接到自动化数据采集系统的串口板卡上。航空GPS 用于采集系统所处位置的高度、经纬度和时间等数据通过串口（RS-232 接口）连接到自动化数据采集系统的串口板卡上。

1.2 软件设计与开发

为实现自动化测量并保证测量质量，开发了自动化测量软件、机载监控软件和地面监控软件。

1.2.1 自动化测量软件

设计了自动化数据测量软件，实现了对能谱数据、磁数据、位置数据、温度数据和时间数据等多种参数的自动采集和记录。设计了人机交互友好界面（图3），可实时显示图谱信息，主要包括TC（总道）、K（钾道）、U（铀道）、Th（钍道）、RALT（雷达高度）、Uup（上测铀道）、CmMag1（补偿后的磁总场）、TCup（上测总道）等参数。

图3 自动化数据采集软件界面Fig.3 Interface of automatic data acquisition software

1.2.2 机载监控软件

在自动化测量模式下，设计了机载无人值守监控平台，可由领航员观察仪器工作状态。采用组态编辑软件编程，按照Modbus协议设计了串口数据通信软件，完成了监控软件的设计开发（图4），实现了对航测仪的工作状态的实时监控。

图4 机载监控软件工作流程图Fig.4 Work flow chart of airborne monitoring software

1.2.3 地面监控软件

为实时监控航测仪空中测量数据质量和飞机实时位置，基于北斗卫星导航系统并采用Python 语言设计了数据传输和地面监控软件，实现了对关键测量数据和位置信息的实时监控。位置数据监测界面如图5 所示。

1.3 飞行平台选型及改装设计

为提高工作效率，优选了飞行平台并进行了飞机改装设计。

1.3.1 飞行平台选型

目前开展航空物探测量工作主要以固定翼飞机、直升机为主要飞行平台［5-6］，近年来无人机也成为常用的飞行平台。核工业航测遥感中心航空物探测量历史上先后使用过8种型号的固定翼飞机及5 种型号的直升机开展航空物探工作，例如运十二（Y-12）、双水獭、奖 状、Cessna-208B 和 AS350B3等机型（表1）。

表1 不同型号飞机主要性能参数Table 1 Main performance specification of different types of aircraft

新西兰生产的P-750 固定翼飞机在续航时间和起降距离方面拥有较强的优势，在搭载400 kg 的航空物探（放/磁）综合测量系统时，作业时间可达近8 小时。

1.3.2 飞机改装

为了充分发挥航测仪器的性能并保证测量精度，用于航空物探测量的飞机必须进行必要的改装。改装工作除了保证航测仪器安装可靠、牢固之外，还要保证飞机对航测仪器的放射性干扰、磁干扰以及电子干扰降低到允许的水平。为此，检查了P-750 飞机的放射性本底，根据P-750 飞机的载荷和机舱空间设计了系统安装方案，完成了改装设计。

1.3.2.1 飞机放射性本底检查

使用FD-3013 伽马总量辐射仪和ARD 地面伽马能谱仪（单位cps，即计数/秒）对飞机的放射性本底进行了测量。

测量结果表明，机舱内未发现高放射性的部位，机舱内比机舱外地面停机坪放射性本底低16.3%～28.7%，满足航放测量规范［6］中机舱内比机舱外低 10% 以上的要求（表2）。

表2 飞机本底测量结果统计Table 2 Statistics of aircraft background measurement results

1.3.2.2 飞机改装和系统集成

基于P-750 飞机，设计了航放/航磁测量系统的改装方案，主要包括：温湿度计、气压高度计及雷达高度计安装、晶体箱安装、主机箱（包括电源分配器、自动化数据采集系统）安装、GPS 安装、磁探头、磁通门及放大器安装以及供电电源设计。各设备在飞机上的安装位置如图6 所示。

图6 测量系统各设备安装位置示意图Fig.6 Schematic diagram of installation position of each equipment of the measurement system

如图6 所示，晶体箱和主机安装于机舱的前端及中部，使用6 根与舱体同宽的槽铝固定3个晶体箱和主机。

温湿度计和雷达高度计位于机身下方，雷达高度计发射天线和接收天线在P-750 机腹下方横向安装，间距80 cm，温湿度计在两个天线之间，GPS 天线安装于飞机顶部无遮挡位置。

为减小飞机自身铁磁性物质对磁探头的影响，磁探头在保证安全的前提下尽量远离机身。设计了使用无磁复合材料长度为7 m 的尾椎，磁探头及前置放大器安装在尾椎内部的支架上，磁通门设计安装在机舱后半部（图7）。

图7 航磁测量系统安装图Fig.7 The installation drawing of aeromagnetic measurement system

电源分配器从飞机电源接入28 V 电源，经DC-DC 变换后为测量系统提供5～28 V 电源。由于飞机蒙皮是电源的负线，飞机的电气系统具有较大的噪声。因此，必须进行下列改装，以使电噪声降到可以接受的水平。

1）从电瓶的负端取下接机身的地线，在电瓶0.5 m 范围内接一块共用接地的铜质负极板，尺寸最小为100 mm×200 mm×5 mm，并牢固地与机身连接，从电瓶负端接到这块板上的导线直径至少应为15 mm。

2）仪器需用的飞机电源线，要用双线从总汇电条处直接引入机舱内的接线盒上。正极线应通过一个20 A 的保险开关接到飞机的总汇电条上，负线直接从铜板上引入。所用导线应能长时间承受20 A 的电流。

2 系统测试及校准工作

对系统开展了测试和校准工作，包括性能指标测试、航放系统校准和航磁补偿飞行。

2.1 航放系统稳定性测试

对航放系统的稳定性开展了测试，测试结果如表3 所示。

表3 航放系统稳定性测试统计Table 3 Statistics on stability test of airborne radioactive system

稳定性测试结果表明，各窗计数变化范围为-0.90%～0.44%，满足变化不超过±5%的规范要求［7］。

2.2 航空磁力仪静态噪声测试

对航空磁力仪静态噪声水平进行了测试，按照采样间隔2 次/s 抽点计算Sn值：

式中：Sn—静态噪声；n—参加计算的观测点 数，个；i—数据序列号，i=1，2，…，n；Bˉ、Bi、Ti和Sn的单位为nT［8］。测试数据见图8 所示。

图8 静态噪声测试结果Fig.8 The test data of static noise

经计算，航空磁力仪静态噪声为0.002 74 nT，满足静态噪声小于0.01 nT 的航磁一级资料评价标准［8］。

2.3 GPS 定位精度测试

在空旷地带对机载GPS 导航定位系统进行定位精度测试，通过公式（4）计算GPS 静态定位精度：

式中：Xi—第i次GPS 系统的坐标观测值，m；为Xi的算术平均值，m；N—测量次数，次。测试结果见表4 所示，GPS 静态径向定位精度为0.017 m，满足航放航磁测量定位的精度要求。

表4 航空GPS 静态定位精度测量结果统计Table 4 Aviation GPS static positioning accuracy measurement results

2.4 航放系统校准

在航空放射性测量模型标准装置和黄壁庄动态测试带开展了航空伽马能谱测量系统校准，校准结果见表5。

表5 航空伽马能谱测量系统校准结果（P-750）Table 5 Calibration results of airborne gamma spectrum measurement system(P-750)

各项校准结果满足航空γ 能谱仪检定规程要求［9］。

2.5 航磁补偿飞行

为消除飞机自身铁磁性物质干扰及飞机机动动作造成的磁干扰，设计了航磁补偿飞行，以消除上述影响。飞机进行磁补偿的路线如图9 所示。

图9 磁补偿飞行示意图Fig.9 Schematic diagram of magnetic compensation flight

磁补偿结果曲线如图10 所示，补偿后磁场曲线平滑，基本消除了飞机干扰场及各种飞行姿态对测量的影响。

图10 磁补偿前后结果对比图Fig.10 Comparison of results before and after compensation

磁补偿结果见表6，磁补偿前数据标准偏差为0.317 14 nT，磁补偿后数据标准偏差为0.019 61 nT，优于0.08 nT 的航磁测量规范要求［8］。

表6 航空磁力仪磁补偿结果统计Table 6 Statistics of magnetic compensation results

3 应用

2021 年使用P-750 固定翼飞机搭载自动化航放/航磁测量系统在东北某工作区开展了生产工作，查明了工作区航空放射性场和磁场的分布特征。以图11 为例，HFU-008 等3 个铀异常构成航放异常集中区，由化极磁场可知，该区域磁性基底表现为局部凸起特征，结合东部总体抬升的构造背景来看，该区域磁性基底所反映的构造形态与盖层构造形态具有继承性关系。而HFU-008 异常大致处于凸起中部，

图11 工作区（局部）航放铀含量（a）和航磁化极等值线图（b）Fig.11 Airborne uranium content（a）and aeromagnetic field reduced to pole measurement results（b）in the test area

HFU-001、002 大致处于由凸起中部向南倾的构造缓坡部位。对3 个异常开展地面伽马能谱、土壤氡等综合查证认为3 个异常成因相似，即在地表径流汇聚或潜水作用下，来自于周边嫩江组沉积层中的铀受泥质沉积物强吸附作用导致局部富集引起［10］。

同时，对所有飞行架次的能谱峰漂、晶体分辨率和航磁动态噪声等技术指标进行了统计：能谱峰漂（208Tl）在-0.41～-0.94 道之间，晶体分辨率在8.86%～9.56%之间，航磁动态噪声水平一、二级资料占98.68%以上［10］。期间共飞行57 架次，完成测线50 457 km，单架次平均飞行885.2 km，作业效率较以往有明显提高。

4 结论

1）基于P-750 飞机的自动化航放/航磁测量系统由自动化数据采集系统、晶体探测器、磁传感器辅助测量系统、机载监控装置及地面实时监控系统组成，实现了航空物探作业无人值守自动化测量。

2）实测数据结果表明，系统稳定性、磁静态噪声、定位精度、航放标定和航磁补偿等技术指标满足现行航放和航磁测量规范标准，可应用于生产作业。

3）应用示范测量结果表明，应用该自动化测量系统获取了高质量航放/航磁测量数据，查明了工作区航空放射性场和磁场的分布特征，且单日最高完成测线飞行2 290 km，单架次最高完成测线飞行1 318 km，单架次续航最长6.77 小时，工作效率较以往有明显提高。