0 引言

磁法勘探主要包括航空磁测、地面磁测两种方式：航空磁测主要解决大面积、小比例尺的区域性磁场分布，地面磁测主要解决小面积、大比例尺的区域性磁场分布.中国四川属于多山地区，在山体切割剧烈、海拔落差大、沟壑纵横、湖泊河流分布密集等人员难以到达的区域，无法通过传统有人驾驶航磁测量和地面人员测量方式获取这些特殊区域的大比例尺磁场分布.无人机航空磁测是一项新兴的航磁测量技术(Forrester et al., 2014; Funaki et al., 2014；Hashimoto et al., 2014；李文杰等, 2014；崔志强等, 2015；Macharet et al., 2016; 王波等，2016；胥值礼等, 2016; Pei et al., 2017)，无人机具有小型化、智能化、重量轻、费用低、便于运输和操作等特点，其灵活的机动性使无人机能保持较低的飞行高度在复杂地形区域实现低空航磁测量.无人机航磁系统存在可靠性、航时、航程、挂载重量等相互制约的因素，针对不同测量面积、精度、比例尺等要求，需要采用不同类型的无人机和磁探测仪器结合.目前无人机航磁测量的飞行平台主要是固定翼无人机，固定翼无人机存在起降难度大、运输不便、操控难度大等一些制约因素，在四川多山地区进行大比例尺航磁测量时受到限制.旋翼无人机具有：起降方便、运输容易、操控简单，同时具备悬停等特点，适宜在四川多山地区进行低空大比例尺航磁测量.本研究采用旋翼无人机搭载三轴磁通门传感器的方式开展无人机航空磁测试验，以实现在多山地区完成大比例尺航磁测量.

1 设备组成

旋翼无人机航磁系统主要由：旋翼无人机、三轴磁通门传感器、航磁数据记录仪组成.旋翼无人机搭载三轴磁通门传感器和航磁数据记录仪，通过预先设定的航线、飞行高度、飞行速度等参数沿航线进行自主飞行，完成航磁测量.其实物如图 1所示.

1.1 旋翼无人机

旋翼无人机一般分为：四轴、六轴、八轴，能通过预先设定的飞行航线进行自主飞行.旋翼无人机主要采用锂电池作为其动力，由于电池的效能问题，其载荷重量有限，必须尽量降低载荷的重量，选择重量较轻的三轴磁通门传感器，同时由于旋翼无人机飞行时多个电机会产生动态干扰磁场，需要考虑三轴磁通门传感器安装位置，而安装位置过于远离无人机机体会对飞行造成安全问题.本研究所采用的是六轴旋翼无人机，其主要指标如表 1所示.

1.2 三轴磁通门传感器

三轴磁通门传感器是一种磁法勘探中常用的勘探设备(Gavazzi et al., 2016)，其重量轻、体积小、功耗低、灵敏度高、噪声低，并能进行磁场的矢量测量.以往磁通门传感器主要存在响应频率低的劣势，在航空磁测中受到限制，目前磁通门传感器的响应频率已经到达kHz水平，可以应用于航空磁测.本研究采用英国巴灵顿公司的Mag03三轴磁通门传感器作为磁场采集传感器，其重量只有160g, 有利于载荷有限的旋翼无人机搭载.其实物图如图 2所示，其主要指标如表 2所示.

1.3 航磁数据记录仪

航磁数据记录仪主要功能是保存三轴磁通门传感器采集的磁测数据(孙肖南等，2017)，地面常用的数据记录仪一般体积较大、重量较重、功耗较大，不适于旋翼无人机.本研究为了降低航磁数据记录仪的重量与体积，研制了适用于旋翼无人机的航磁数据记录仪，其主要包含：三通道A/D转换模块、GPS模块、数据存储模块.航磁数据记录仪采用16 bit分辨率的A/D将三路磁测数据保存，同时保存GPS位置、时间、飞行高度等数据信息，航磁数据记录仪采用9V锂电池供电，航磁数据记录仪的总体重量仅200g.航磁数据记录仪实物图如图 3所示，其主要指标如表 3所示.

2 旋翼无人机航磁系统试验

为了验证旋翼无人机航磁系统的实用性，在设备集成工作完成后，开展了一系列的试验工作.主要包括：安装点位的噪声水平测量试验、地面空中对比试验、磁性体识别试验、动态飞行一致性试验、区域飞行试验.经过试验掌握了旋翼无人机航磁系统的性能，验证其应用的可行性，并对该系统进行了矫正与优化.

2.1 三轴磁通门传感器安装点试验

旋翼无人机的机体结构主要采用无磁性的碳纤维材料构成，不影响空间磁场的分布，但旋翼无人机的动力系统采用多个无刷电机构成，无刷电机工作时会对周围的磁场分布产生较大影响.三轴磁通门传感器不能离旋翼无人机体太近，而远离机体又会造成安装上的困难与飞行安全问题，寻求三轴磁通门传感器与旋翼无人机机体的一个合适安装位置是必要的(Zhang et al., 2011).试验首先在地面进行，三轴磁通门传感器和旋翼无人机机体之间按照不同间距进行测试，测试发现在旋翼无人机无刷电机不启动时，其噪声水平维持在大约0.35 nT左右，当旋翼无人机无刷电机启动时其干扰变大，当三轴磁通门传感器与机体之间距离小于0.5 m时干扰峰值可达几百nT.为了模拟实际工作时的情况，将三轴磁通门传感器以不同垂直悬吊长度悬挂于旋翼无人机下方，并让旋翼无人机飞行至一定高度悬停，采集10 min的磁场数据计算噪声水平，计算时采用常用磁法仪器噪声计算方法7点滑动平均进行计算.

计算结果表明噪声水平随三轴磁通门传感器距旋翼无人机机体距离呈衰减趋势，噪声水平如表 4所示，综合考虑旋翼无人机飞行稳定性以及噪声干扰，将三轴磁通门传感器与旋翼无人机之间的安装间距选择为1.5 m，安装方式采用垂直悬吊固定方式，安装杆采用无磁性的碳纤维管.

2.2 地面空中对比试验

为掌握旋翼无人机磁测和地面磁测是否具有一致性，采用旋翼无人机航磁系统与地面磁测仪器沿同一条测线进行测量.地面采用FVM400磁通门磁法勘探设备进行测量，测线长度100 m、点距1 m，沿地表测量.旋翼无人机航磁系统测量航线与地面测线一致，分为2架次测量，2次测量的飞行高度分别为2 m和4 m，采样频率均为2 Hz.测量结果如图 4所示，地面磁测异常点与旋翼无人机磁测结果异常点位于同一位置，该磁异常估计是地下金属管道导致.磁异常体产生的磁异常强度随距离的增加成立方衰减，地面磁测距地下磁性体距离近，表现为磁异常强，无人机由于距地下磁性体距离增加，其磁异常变弱，飞行高度的增加会导致磁异常的进一步减弱.

2.3 磁性体识别试验

磁性体识别试验采用普通小轿车作为磁性异常体，测线长度25 m，旋翼无人机飞行高度8 m，旋翼无人机沿测线完成2架次飞行：第一次飞行时测线下方没有汽车，第二次在距测线起点12 m处停放普通小轿车1辆，如图 5所示，并完成同样测线的飞行.测量结果经过抽样和滤波之后成图，如图 6所示，对比有车和无车两种情况下的测量结果可以看到汽车所产生的磁异常在对应位置能被识别.

2.4 动态飞行测量一致性试验

动态飞行一致性评价是衡量磁测系统的一个重要标准，试验在成都理工大学东区操场进行，测线沿北东向布置，采用旋翼无人机沿同一测线往返飞行3架次，测线长度450 m，飞行高度40 m，飞行速度10 m·s^-1，采样频率2 Hz，测线位置如图 7所示.

对采样结果经过经纬度坐标到大地坐标转换、数据修正，形成5 m点距的磁测数据，如图 8所示，当飞行方向为正向飞行时或反向飞行时测量结果具有较高一致性，同向飞行测量结果的不一致性主要是由于GPS定位误差、航偏、高偏、以及飞行过程中三轴磁通门传感器姿态的变化等因素导致.正向飞行与反向飞行的结果有较大差距，该差距是由于无人机飞行方向的改变导致三轴磁通门传感器在正向飞行和反向飞行时发生了完全转向，三轴磁通门传感器具有转向误差，使得正向飞行时的测量结果与反向飞行的测量结果存在差值.采用3种方法解决该存在的问题，一种方式是只保留同一飞行方向的测线，测量效率会减半.第二种方式是采用无头飞行模式的旋翼无人机，即旋翼无人机可以在飞行的过程中机头始终保持不转向.第三种方式是采用数据矫正的方法.第一种方式与第二种方式是采用固定三轴磁通门传感器姿态方式，这两种方式由同方向飞行测量数据的一致性已说明其可行性.第三种方式采用数据矫正的方式降低三轴磁通门传感器转向造成的误差.

理想的三轴磁通门传感器为三轴正交矢量测量，其输出的总场值与测量方向姿态无关，而三轴磁通门传感器的每个测量轴不能做到完全正交、每个轴的刻度因子、零点误差也都不完全一致，导致三轴磁通门传感器在旋转的过程中会产生转向误差(焦秉刚等，2011；庞鸿锋等，2011；Zhang et al., 2011；周榕军等, 2011).假设空间磁测在理想正交三轴磁通门传感器坐标分量为X、Y、Z而在非正交三轴磁通门传感器坐标分量为X′、Y′、Z′.以三轴磁通门传感器的Z轴作为重合轴，则其转化关系可表示为

(1)

其中 , P为转化矩阵，Kx、Ky、Kz表示各轴的刻度因子，α、β、γ表示各轴之间的非正角程度，bx、by、bz为三轴磁通门传感器各轴的零点误差，测量值矫正为正常值的方法由公式(1)变换可表示为

(2)

其中P^-1为P的逆矩阵，可表示为P^-1=，对三轴磁通门传感器的姿态转向矫正就是求解P^-1、B矩阵中的各参数值.

在实验室屏蔽筒内，由三轴亥姆赫兹线圈产生恒定磁场，让三轴磁通门传感器在屏蔽筒内的无磁转台进行姿态变换并记录磁场各分量值，测量结果如图 9所示，其中图 9a为总场散点图，图 9b、图 9c、图 9d为三轴磁通门传感器沿各轴旋转测量的平面图，表现为椭球体模型，根据公式(2)，利用最小二乘法将椭球体拟合成球体模型，并求解出P^-1、B中的各参数值.根据数据拟合结果得到转换矩阵为P^-1= ，零点误差为B=[1.3856  11.0652  -13.4437].磁场总场随三轴磁通门传感器姿态的改变最大达到400 nT，矫正后磁场总场的波动降低到40 nT.

采用矫正参数，对往返飞行的数据进行矫正，矫正后的数据再次进行对比成图，如图 10，矫正后正向飞行和逆向飞行所存在的较大差值被降低.在左右两端点处任存在较大误差是由于无人机在折返点需要进行加速、减速以及旋转的过程，在该过程中造成三轴磁通门传感器姿态大幅摆动，其矫正后的误差较中间以恒定速度平稳飞行矫正后的误差更大.

为进一步验证矫正效果，使用旋翼无人机飞行至一定高度进行旋转定点测量(刘诗斌, 2007)，将旋翼无人机飞行至30 m高度，先顺时针旋转三周、再逆时针旋转三周，并记录下磁场数据，采用实验获取的矫正参数对采集数据进行处理，矫正前总场数据和矫正后的总场数据成图，如图 11所示.三轴磁通门传感器采集的总场数据未矫正前随无人机顺时针和逆时针转动呈明显的起伏，矫正后的数据起伏程度明显减小，起伏程度由原来的150 nT，降低至40 nT以内，有效的抑制了由于飞行转向造成的误差.

2.5 区域飞行试验

区域飞行试验在成都理工大学某空旷区域开展，如图 12所示，飞行高度为50 m，测量区域为220 m×230 m的矩形区域面积为50600 m²，共布置南北向测线4条，每条测线均采用往返飞行.对测量结果进行处理、矫正后通过磁法处理软件Surfer成图, 其中图 13a为北向飞行时成图，图 13b为南向飞行时成图，成图结果表明：沿不同方向飞行的航磁测量结果等值线形态基本一致，正、负异常具有一致性，异常值大小基本相同，北东向为正异常、南西向为负异常，异常值的大小为560 nT.

通过安装点位的噪声水平试验、地面空中对比试验、磁性体识别试验、动态飞行一致性试验、区域飞行试验表明采用旋翼无人机进行低空磁测时能正确反映磁异常体.由于三轴磁通门传感器的姿态在飞行过程中会变化导致产生误差，通过固定飞行方向和三轴磁通门传感器姿态矫正的方法可以降低其产生的误差(刘浩等2014；骆遥等, 2015；王婕等, 2016)，由于旋翼无人机飞行航时的局限性，该系统不利于开展大面积的航磁测量工作.

3 野外应用测试

四川省黑竹沟地区是峨眉山玄武岩地质结构，该区域具有较强的磁异常，由于山体切割剧烈、沟壑纵横、植被茂密在该区域开展地面磁测工作难度大，项目组于2014年7月和2015年5月两次进入四川省黑竹沟地区开展旋翼无人机航磁野外应用测试，并在杜鹃池、马里冷觉等人员难以到达区域完成了应用测试.

开展旋翼无人机航磁调查工作时，根据杜鹃池、马里冷觉的地形特点和预先获得的1:20万航磁分布特点进行测线设计，测线设计还需考虑无人机的飞行速度、飞行高度、航程等限制因素，各测量区域在1:20万航空磁测图上的具体位置如图 14所示.

杜鹃池区域植被茂密具有两个大小基本相同的湖泊，该区域难以开展地面磁测，采用旋翼无人机进行低空航磁调查.考虑到杜鹃池区域面积、1:20万小比例尺航磁图磁异常走向、无人机航程等因素设计测线为北东走向，共布置6条平行测线，每条测线长度1 km，测线线距200 m，测线设计如图 15所示.将杜鹃池区域的测线数据输入旋翼无人机后，旋翼无人机进行自主飞行，经过3次起降后，完成全部测线测量，旋翼无人机沿测线实际飞行轨如图 16所示，测量结果的剖面成图如图 17所示.

测量数据通过Sufer软件成图，成图结果如图 18c，其中黑色线条为旋翼无人机沿测线飞行的航迹.测量区域位于黑竹沟景区东南方向的杜鹃池，如图 18a所示，通过旋翼无人机航磁测量数据的成图结果可以发现该区域的整体趋势为北东向为负异常、南西向为正异常，该趋势与1:20万小比例航磁图上杜鹃池磁场变化趋势一致如图 18b所示，而无人机航磁获取的大比例磁航磁图具有更细致的磁场变化信息与磁异常信息.

将旋翼无人机航磁测量获取的杜鹃池磁测数据进行处理后，可以获取更多的磁场信息，如图 19所示，根据处理后的磁测成图可以发现在该区域的西南向具有一对磁偶极子，根据提取的剖面图可以发现，其异常值可达几百nT，估计是由地下埋深较浅的小体量磁性玄武岩体造成，而在1:20万的小比例尺航磁图不能反映该磁场分布信息.

项目组在马里冷觉同样采用旋翼无人机航磁测量方法获取了该区域的航磁测量数据.测量结果表明其分布趋势与1:20万小比例尺总体趋势一致，表现为北向负异常，南向正异常，如图 20所示.

4 结论

本研究利用旋翼无人机搭载三轴磁通门传感器构成旋翼无人机航磁系统，完成了旋翼无人机、三轴磁通门传感器、航磁数据记录仪的集成工作，并针对该系统开展了一系列试验：噪声水平试验、地面空中对比试验、磁性体识别试验、动态飞行一致性试验、区域飞行试验，试验表明该系统能正确的反应空间磁场的分布，通过试验掌握了该系统的各项参数指标，验证了旋翼无人机航磁系统应用于航磁测量的可行性.三轴磁通门传感器在飞行过程中的姿态改变是整个系统测量误差的主要来源，通过数据矫正的方法虽有效降低了误差，但如何固定三轴磁通门传感器在飞行过程中的姿态是该系统满足航空磁测规范的关键.

通过在四川黑竹沟区域开展的野外实地测试工作，获取了杜鹃池、马里冷觉地区的低空旋翼无人机航磁测量数据，测量结果表明旋翼无人机航磁测量结果与1:20万小比例尺的航磁结果具有磁场分布趋势的一致性，而旋翼无人机航磁测量结果能包含更丰富细致的磁场分布信息，测量结果达到1:1万~1:2万的比例尺.