CN107678066A - 一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，通过测量系统进行采集信号，由测量系统通过悬挂在飞行器下方的电导率传感器向地面发射正弦波信号，到达地面后进行反馈，产生微弱的二次信号、二次衰减信号，同时记录姿态信息，通过姿态信息来修正电导率传感器位置，以便准确得到二次衰减信号的位置信息，最后通过二次衰减信号来计算出来被测目标物的电导率值，结构清晰、易于实现，相对于传统的探测来说省时省力，大幅度的提高了工作效率，而且可以进入到之前人员无法进入的地区(比如污染区，危害区域)进行工作，可以快速得到视电导率和视磁化率的平面图，无需埋设电极，测量效率远远高于传统的直流电法测量。

Description

一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统

技术领域

本发明涉及地质勘探技术领域，尤其是涉及一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统。

背景技术

随着社会的发展，勘探技术也随着社会的发展得到了重大的进步，过各种手段、方法对地质进行勘查、探测，以满足日益增长的社会能源需求，为查明矿产的质和量，以及开采利用的技术条件，提供矿山建设设计所需要的矿产储量和地质资料，对一定地区内的岩石、地层、构造、矿产、水文、地貌等地质情况进行调查研究工作，已经成为资源日益缺乏的现代文明越来越重视的问题。

土壤调查是用于描述某一地区的土壤特征，并根据标准的土壤分类系统进行土壤分类，绘制土壤图，最终预测土壤行为，是对一定地区的土壤类别及其成分因素进行实地勘查、描述、分类和制图的全过程，是认识和研究土壤的一项基础工作和手段。通过调查了解土壤的一般形态、形成和演变过程，查明土壤类型及其分布规律。查清土壤资源的数量和质量，为研究土壤发生分类、合理规划、利用、改良、保护和管理土壤资源提供科学依据。按土壤调查目的和要求，通常分为详查与概查。土壤详查指在一定区域范围用大比例尺地形图(≥1/25000)为底图的土壤调查，特点是调查范围较小、成图精度要求高，通常采用航空图片结合地形图的方法进行。土壤概查是在县以上区域或中小河流域范围内，以中、小比例尺地形图(≤1/50000)为底图的土壤调查，具有区域范围广、工作流动性大、综合性强等特点，多采用卫星图片结合地形图的方法进行。

目前的现有技术中，传统的土壤调查方法是完全依靠人力挖坑打钻、以地形图为工作底图的土壤调查方法，它需要的人工多、周期长、耗费很大。

发明内容

本发明的目的在于提供一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，以解决上述背景技术中提出的问题和缺陷,使用偶极电磁仪，适用于快速和准确的地球物理测量，测量目标物的电导率及磁化率参数，可以自行扩展，统一输出指标与数据，并统一分析挖掘，简便有效。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，通过测量系统进行采集信号，由控制端内设置的惯性导航系统及三分量加速度计系统对测量系统进行控制，进行实时姿态记录，以便后期进行姿态修正，进行实时姿态记录的过程为，

飞行器经控制端发出指令后起飞，沿着测线在地面上方5-20米进行飞行，由测量系统通过悬挂在飞行器下方的电导率传感器向地面发射正弦波信号，

信号到达地面后进行反馈，信号传导到地面后，与被探测物发生电磁感应效应，产生微弱的二次信号至信息记录盒，

通过电导率传感器来采集电磁感应产生的二次衰减信号，每产生一个被记录的二次衰减信号，则会同时记录该时间点的GPS坐标信息，高程信息，和电导率传感器的姿态信息至信息记录盒，即信息记录盒中同时记录有二次信号、二次衰减信号；

在完成飞行任务后、进行数据后处理时，通过姿态信息来修正电导率传感器位置，以便准确得到二次衰减信号的位置信息，最后通过二次衰减信号来计算出来被测目标物的电导率值。

作为上述技术方案的优选，电导率传感器采用变压器反馈式LC正弦波振荡器来进行选频，并向地面发射带宽为300Hz-96KHz、单一或者组合频率的正弦波信号，采样率为30Hz，发射磁矩范围为5-30A.m²。

在上述技术方案中，实现上述方案的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，由飞行器、控制端和测量系统构成，飞行器底部安装有测量系统，飞行器、测量系统通过无线通信与控制端相连；其中：控制端为电脑，飞行器包括支架、起落架和飞行叶片，支架为多个且顶端相连、形成为以中心为原点的放射状，每个放射支架的顶端设有飞行叶片，在支架中心下方设有起落架，起落架至少为4个，起落架底部均设有连接装置，连接装置为连接片和连接杆配对使用，连接片通过连接杆将其两两对应的横向连接，连接杆上安装有测量系统，测量系统由信息记录盒及电池、导向板和电导率传感器构成，连接杆上安装有水平的导向板，导向板前端顶部安装有电导率传感器，后端安装有信息记录盒及电池，电池与电导率传感器、信息记录盒分别相连。

在上述技术方案中，支架、起落架、连接装置、连接杆均为非金属材质，优先方案为轻质碳纤维材质。

作为上述技术方案的优选，电导率传感器为偶极电磁仪，重量不大于5Kg，传感器长度小于等于200cm。

本发明的优点：

本发明实施例提供的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，结构清晰、易于实现，相对于传统的探测来说省时省力，大幅度的提高了工作效率，而且可以进入到之前人员无法进入的地区(比如污染区，危害区域)进行工作；传统技术中的工作方式为人背负着探测仪器行走来配合探测，工作效率比较低，而此发明采用无人飞行器进行搭载，极大的提高了工作效率和工作范围，可以快速得到视电导率和视磁化率的平面图；就对于目前最新的电法探测来说，电法探测工作为直流电法居多，需要在地面埋设电极，破坏了地面的完整性且测量效率低下；此发明无需埋设电极，通过无人机搭载测量设备沿着测线在地面上方5-20米(选择一个合适高度，高度选择与地面的电阻率有关系，需要实地测试得到合适的飞行高度)的范围内飞行测量，测量效率远远高于传统的直流电法测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统的系统结构示意图；

图2为本发明实施例的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统的局部的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统的测量原理示意图；图4为本发明实施例的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统的测量结果的视磁化率平面示意图；

图5为本发明实施例的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统的测量结果的视电导率示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电磁感应电导率仪最早于20世纪80年代应用于土壤学领域，国内外已在表观电导率对土壤盐分、含水量、粘粒含量等性质的响应特征方面进行了大量的研究，同时还与空间技术相结合，使其成为研究土壤性质的有力工具。

本发明实施例所指惯性导航系统(INS，简称惯导)是一种不依赖于外部信息、也不向外部辐射能量的自主式导航系统。其工作环境不仅包括空中、地面，还可以在水下。惯导的基本工作原理是以牛顿力学定律为基础，通过测量载体在惯性参考系的加速度，将它对时间进行积分，且把它变换到导航坐标系中，就能够得到在导航坐标系中的速度、偏航角和位置等信息。

实施例

如图3所示，ρ1、ρ2是指不同的被探测物(土壤或者土壤中其他良导体)，本发明实施例提供的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，其工作原理为：在信号发射端TX有一个小型发射线圈，可以产生一个随时间变化且强度随着大地深度增加而逐渐减弱的初级磁场H_P，这个磁场可以在大地中产生非常微弱的交流感应电流，而这个电流又诱导出次级磁场H_S,电导率仪的信号接收端RX则负责接收土壤传导电流所产生的次级电磁场信号，仪器接收到的与土壤电导率成正比的电信号经过运算处理后显示为土壤表观电导率，其计算公式为：

式中：ω＝2πf，f为发射频率(Hz)，S为发射端与接收端之间的距离(m)，μ0 为空间磁场传导系数，v为垂直偶极模式。

惯性导航系统及三分量加速度计系统是安装在控制端内的，是用来记录测量系统的实时姿态，比如测量系统的俯仰，翻滚，倾斜等状态，然后将数据记录至信息记录盒，与GPS数据，高程数据，电导率数据一起存储，以便后期在电脑上进行数据处理。

在图1-2中，一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，由飞行器、控制端和测量系统构成，飞行器底部安装有测量系统，飞行器、测量系统通过无线通信与控制端相连；其中：控制端为电脑，飞行器包括支架1、起落架2和飞行叶片3，支架为多个且顶端相连、形成为以中心为原点的放射状，每个放射支架1的顶端设有飞行叶片3，在支架1中心下方设有起落架2，起落架为4个，起落架底部均设有连接装置，连接装置为连接片4和连接杆5配对使用，连接片图2所示为具体结构，连接杆5通过杆头两端的连接片4将起落架2两两对应的横向连接，连接杆5上安装有测量系统，测量系统由信息记录盒及电池6、导向板7和电导率传感器8构成，连接杆5上安装有水平的导向板7，导向板7前端顶部安装有电导率传感器8，后端安装有信息记录盒及电池6，电池与电导率传感器8、信息记录盒分别相连，电导率传感器8在本实施例中为偶极电磁仪。使用时，通过测量系统进行采集信号，由控制端内设置的惯性导航系统及三分量加速度计系统对测量系统进行控制，进行实时姿态记录，以便后期进行姿态修正，进行实时姿态记录的过程为，飞行器经控制端发出指令后起飞，沿着测线在地面上方5-20米进行飞行，由测量系统通过悬挂在飞行器下方的电导率传感器向地面发射正弦波信号，信号到达地面后进行反馈，信号传导到地面后，与被探测物(土壤或者土壤中其他良导体)发生电磁感应效应，产生微弱的二次信号，然后通过电导率传感器来采集电磁感应产生的二次衰减信号，每产生一个被记录的二次衰减信号，则会同时记录该时间点的GPS坐标信息，高程信息，和偶极电磁仪的姿态信息，然后在完成飞行任务后，进行数据后处理的时候，会通过姿态信息来修正偶极传感器位置，以便准确得到二次衰减信号的位置信息，然后通过二次衰减信号来计算出来被测目标物的电导率值。

在图4、5中，展示了本发明实施例的测量结果，图4为1KHz的视磁化率平面图，图5为16KHz的视电导率。)

视磁化率(apparent susceptibility)有限物体受外磁场磁化时，由于受物体退磁作用的影响，测量得到的磁化率往往比物体真正的磁化率要小。设真磁化率为k'，测量得到的磁化率为K，则有：K'＝K/(1+N*K)，式中N为消磁系数，K为真实磁化率，它随物体形状的不同以及磁化方向的不同而变化。K'即叫做视磁化率。在磁异常换算中，有时也称反演计算的磁化率为视磁化率。

在使用时，每产生一个被记录的二次衰减信号，则会同时记录该时间点的GPS坐标信息，高程信息，和偶极电磁仪的姿态信息，然后在完成飞行任务后，进行数据后处理的时候，会通过姿态信息来修正偶极传感器位置，以便准确得到二次衰减信号的位置信息，然后通过二次衰减信号来计算出来被测目标物的电导率值。使用电导率值然后可以绘制出整个探测区域的不同响应频率的视电导率和视磁化率平面图，来判断土壤厚度，土壤污染区域，土壤埋藏管线位置等等。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，本发明实施例还可以在不脱离本专利宗旨的前提下做出各种变化。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，其特征在于，通过测量系统进行采集信号，由控制端内设置的惯性导航系统及三分量加速度计系统对测量系统进行控制，进行实时姿态记录，以便后期进行姿态修正，进行实时姿态记录的过程为，

飞行器经控制端发出指令后起飞，沿着测线在地面上方5-20米进行飞行，由测量系统通过悬挂在飞行器下方的电导率传感器向地面发射正弦波信号，

信号到达地面后进行反馈，信号传导到地面后，与被探测物发生电磁感应效应，产生微弱的二次信号至信息记录盒，

通过电导率传感器来采集电磁感应产生的二次衰减信号，每产生一个被记录的二次衰减信号，则会同时记录该时间点的GPS坐标信息，高程信息，和电导率传感器的姿态信息至信息记录盒，即信息记录盒中同时记录有二次信号、二次衰减信号；

在完成飞行任务后、进行数据后处理时，通过姿态信息来修正电导率传感器位置，以便准确得到二次衰减信号的位置信息，最后通过二次衰减信号来计算出来被测目标物的电导率值。

2.根据权利要求1所述的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，其特征在于，电导率传感器采用变压器反馈式LC正弦波振荡器来进行选频，并向地面发射带宽为300Hz-96KHz、单一或者组合频率的正弦波信号，采样率为30Hz，发射磁矩范围为5-30A.m²。

3.根据权利要求1所述的一种搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，其特征在于，搭载在无人飞行器上的土壤及路面电导率测量系统，由飞行器、控制端和测量系统构成，飞行器底部安装有测量系统，飞行器、测量系统通过无线通信与控制端相连；其中：控制端为电脑，飞行器包括支架、起落架和飞行叶片，支架为多个且顶端相连、形成为以中心为原点的放射状，每个放射支架的顶端设有飞行叶片，在支架中心下方设有起落架，起落架至少为4个，起落架底部均设有连接装置，连接装置为连接片和连接杆配对使用，连接杆通过杆头两端的连接片将起落架两两对应的横向连接，连接杆上安装有测量系统，测量系统由信息记录盒及电池、导向板和电导率传感器构成，连接杆上安装有水平的导向板，导向板前端顶部安装有电导率传感器，后端安装有信息记录盒及电池，电池与电导率传感器、信息记录盒分别相连。