CN111965717A - 一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统 - Google Patents
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Abstract
一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，在无人机飞行平台上增加发射系统、接收系统和收录监控系统。发射系统包含发射机和发射线圈，发射机安装在载荷舱内，用于将直流转换为双极性组合波脉冲电流；发射线圈以封闭形状安装在无人机机头、无人机机翼和无人机腹鳍结构上，用于产生航空电磁系统测量用的一次电磁场；接收系统包括接收机吊舱和电动绞车，接收机吊舱通过接收机吊舱挂架、自动投放装置安装在无人机机腹下方且位置处于载荷舱的正下方，用于接收来自地下导体中感应涡流产生的二次电磁场；电动绞车通过自动投放装置安装在无人机机腹下方且位置处于接收机吊舱的正前方，用于接收机吊舱内部三分量接收线圈的同步收放及过载剪断；收录监控系统安装在载荷舱内，用于记录存储接收系统所采集的数据。
Description
技术领域
本发明涉及一种航空电磁测量，尤其涉及固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，可用于航空电磁测量领域。
背景技术
航空电磁测量技术包括时间域航空电磁测量技术和频率域电磁测量技术，时域航空电磁测量技术比频率域电磁测量技术有着先天的优势，其探测深度更大、数据信息量更丰富，时域航空电磁法逐渐成为航空电磁法中最具应用潜力和最重要的方法技术。
时间域航空电磁测量技术又称为航空瞬变电磁法，是利用机载线圈发射脉冲电磁波，通过接收线圈测量二次感应电磁场的航空物探方法。该方法具有速度快、成本低、探测范围广等优势，能够在地面人员和设备难以进入的地区开展工作，适于大面积普查；可广泛应用于地质填图、矿产勘查、水文地质和环境监测等领域。
目前，时间域航空电磁测量以有人机为主要载体，国外各阶段典型的固定翼时间域系统代表产品有1959年INPUT、1962年MARK I、1967年MARK II、1971年MARK IV SKYVAN、1973年TRISLANDER、1983年CASA、1988年QUESTEM、1989年SPECTREM、1992年SALTMAP、1996年GEOTEMDEEP、1988年MEGATEM、2000年TEMPEST、2001年MEGATEMII、2002年GEOTEM1000等系统。我国于2012年研制了第一套吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统，通过多通道数字收录、多频发射技术等，探测深度可达300-500m。但是基于有人机的时间域航空电磁勘查系统主要面临着危险性大、成本高、灵活性差以及作业效率低等问题。
(一)危险性大，为了取得好的测量效果，时间域航空电磁测量要求飞行高度很低，但超低空飞行危险性极高。同时，飞机平台加装发射线圈、接收机吊舱以及电动绞车等航空电磁测量设备，也极大增加了系统的电磁复杂性，对飞机飞行性能影响极大。近年来，随着时间域航空电磁测量作业量的增加，航空电磁测量飞机出现事故的概率也在增加。
(二)成本极高，航空电磁测量项目总经费超过65％用于租赁飞机，尤其是小面积、大比例尺以及紧急测量任务，常常因为费用门槛而无法开展。有人机高昂的费用严重制约了航空电磁测量技术发展。与有人机相比，无人机在建设成本和运维成本上，都具有明显优势，为航空电磁测量的大规模推广提供了支撑。
(三)灵活性差，有人机对起降条件、地勤支持等要求很高，受环境天气和起降场地制约严重，野外作业能力差；无人机灵活性高，起降条件要求低，准备时间短，可以保持低速巡航状态，更有利于航空电磁测量数据的采集，并且具有更强的高原作业能力。
(四)作业效率低，有人机无法夜间飞机开展航空电磁测量作业，而无人机能够实现夜间飞机，且夜间的空域申请更加容易，能够极大的提高飞行作业效率。此外，2017年4月，民航局空管办下发《民用航空低空空域监视技术应用指导意见》，助推通用航空发展，对于无人机开发和应用更是极大的促进。
综上所述，无人机是解决上述问题的有效途径。固定翼无人机时间域航空电磁勘查具有风险小、成本低、效率高、不受地形条件及人为因素影响等优点。可满足各种地形和气象条件下的测量需求，大幅提升我国航空电磁测量技术的水平。但是在时间域航空电磁测量领域，无人机应用刚刚起步，国内尚未见到利用固定翼无人机开展时间域航空电磁勘查测量的报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，解决传统有人机航空电磁测量的主要问题。
本发明的技术解决方案是：一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，搭载在无人机飞行平台上的发射系统、接收系统和收录监控系统；
发射系统包括发射线圈和发射机；发射机安装在无人机载荷舱内，发射线圈以封闭形状安装在无人机机头、无人机机翼和无人机腹鳍结构上；无人机为发射系统供电，脉冲电流激发发射线圈产生航空电磁系统测量用的一次电磁场；
接收系统包括接收机吊舱和电动绞车，安装在无人机机腹下方且位置处于载荷舱的正下方，接收机吊舱用于接收来地下导体中感应涡流产生的二次电磁场，电动绞车用于接收机吊舱内部三分量接收线圈的同步收放及过载剪断；
收录监控系统安装在载荷舱内，通过电源线缆和同步线缆与发射机相连，用于记录存储接收系统所采集的数据。
所述发射机采用减震方式安装在载荷舱内；发射线圈采用匝线圈形成封闭形状，围绕无人机外缘架设，安装在无人机机头、无人机机翼和无人机腹鳍结构上；发射线圈在无人机机头采用水平支杆和斜撑杆进行安装，在无人机机头口盖上开设四个孔，水平支杆从无人机机头口盖上方孔穿过，斜撑杆从无人机机头口盖下方孔中穿过，水平支杆和斜撑杆采用卡箍形式连接，所述水平支杆和斜撑杆材料为7075铝合金冷拉管材，外径50mm，壁厚5mm，水平支杆长度为2000mm，斜撑杆长度为350mm；发射线圈在无人机机翼处采用翼尖延伸整流罩进行安装，翼尖延伸整流罩通过支杆连接在无人机机翼翼尖上，所述翼尖延伸整流罩采用椭圆柱体外形，椭圆柱体长半径340mm，椭圆柱体短半径40mm，椭圆柱体高90mm，翼尖延伸整流罩外壳采用纤维玻璃钢材料，内部结构采用钛合金材料；发射线圈在无人机腹鳍处采用腹鳍延伸整流罩进行安装，腹鳍延伸整流罩通过支杆连接在无人机腹鳍上，所述翼尖延伸整流罩采用椭圆柱体外形，椭圆柱体长半径380mm，椭圆柱体短半径45mm，椭圆柱体高80mm，腹鳍延伸整流罩外壳采用纤维玻璃钢材料，内部结构采用钛合金材料；发射线圈之间每隔2米顺航向设置线圈保持架，以保持发射线圈在飞行时间距基本不变。
线圈保持架上设有导向片，导向片顺无人机航向设置，使各匝发射线圈在飞行时保持共面。
所述翼尖延伸整流罩外壳、腹鳍延伸整流罩外壳、翼尖延伸整流罩连接支杆、腹鳍延伸整流罩连接支杆、发射线圈保持架和导向片的材料为纤维玻璃钢，以保证发射线圈振动频率避开25Hz～25kHz，其余固定部件材料为金属材料。
所述接收系统包括接收机吊舱和电动绞车；接收机吊舱内部安装三分量接收线圈，接收机吊舱通过吊耳连接在吊舱挂架上，吊舱挂架通过自动投放装置安装在无人机机腹下方且位置处于载荷舱的正下方；电动绞车安装在电动绞车整流罩内，电动绞车整流罩采用轻质复合材料，通过自动投放装置安装在无人机机腹下方且位置处于接收机吊舱的正前方。
所述收录监控系统采用减震方式安装在载荷舱内，通过机身框上的纵向结构件和横向结构件组成的转接结构进行固定，用于记录存储接收系统所采集的数据。
所述发射线圈内的导线采用多股漆包铜线，外层包裹橡胶。
所述接收机吊舱整体采用非金属材料，包括滴状体和羽毛体；滴状体采用仿锤体外形；羽毛体包含8片安定面，最上方的两片安定面均与无人机对称面成22.5度夹角。
所述仿锤体的最大横截面直径500mm，仿锤体的最大纵向长度2300mm，滴状体的外壳材料为纤维玻璃钢，并采用蜂窝结构；羽毛体的外壳材料为非金属材料。
所述接收机吊舱能够进行收放，且在电动绞车故障或接收机吊舱意外拖挂时，系统够按照指令整体投放电动绞车和接收机吊舱，确保无人机的飞行安全。
本发明与现有技术相比有益效果为：
1、本发明具备在200m高度上进行全自主的地形跟踪测量能力，是国内首套固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，可广泛用于地质填图、矿产勘查、水文地质和环境监测等领域。
2、接收机吊舱和电动绞车可实现收放功能。在电动绞车发生故障或接收机吊舱意外拖挂时，自动投放装置上的挂钩按照指令同时解锁，实现接收机吊舱和电动绞车整体投放或接收机吊舱单独收放，可有效提高无人机的安全性。
3、固定翼无人机翼展大，挂载发射线圈后可形成较大的发射线圈面积，且固定翼无人机平台具有强大的供电负载能力，能够提供航空电磁测量设备所需的发射功率。采用3匝线圈形成封闭形状，可以保证发射线圈振动和气动稳定性；3匝线圈的包围面积可达370㎡，最大电流可达250A，最大发射磁矩可达86250A·㎡；线圈之间每隔2米顺航向设置保持架，以保持线圈在飞行时间距基本不变；线圈保持架上设有导向片，导向片顺航向设置，使各匝发射线圈在飞行时基本保持共面。
4、翼尖延伸整流罩外壳、腹鳍延伸整流罩外壳、翼尖延伸整流罩连接支杆、腹鳍延伸整流罩连接支杆、发射线圈保持架和导向片的材料为纤维玻璃钢，并采用蜂窝结构构成；纤维玻璃钢材料重量轻、强度高、刚度大、抗冲击性强，能够确保飞行中变形及振动小，并可以有效避开25Hz～25kHz的振动频率范围。
5、整个接收吊舱采用非金属材料制造，滴状体具一定空间，为三分量接收线圈提供足够的安装空间，在无人机飞行过程中，滴状体的阻力值和升力值都较小，对于无人机能够起到良好的减阻效果；羽毛体包含8片安定面，最上方的两片安定面均与无人机对称面成22.5度夹角，可以有效防止吊舱收放过程中尾部羽毛体与机身碰撞损坏。
附图说明
图1为本发明固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统总体布局；
图2为本发明发射线圈在机头处安装示意图；
图3为本发明发射线圈在机翼处安装示意图；
图4为本发明发射线圈在腹鳍处安装示意图；
图5为本发明接收机吊舱结构示意图；
图6为本发明固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统组成关系。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
本发明提出一种应用于航空电磁测量领域的固定翼无人机时间域勘查系统，为使本发明的上述目的及实施过程更加明显易懂，下面结合附图和实施例对本发明做详细说明。
如图6所示，固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统由无人机飞行平台、发射系统、接收系统和收录监控系统5组成。无人机飞行平台同时搭载发射系统、接收系统和收录监控系统5。无人机飞行平台同时为发射系统、接收系统和收录监控系统5供电，并与发射系统、接收系统和收录监控系统5实现相互通信。发射系统中的发射线圈1经过发射机3的脉冲电流激发产生航空电磁系统测量用的一次电磁场，接收系统中的接收机吊舱4接收来地下导体中感应涡流产生的二次电磁场，电动绞车2用于接收机吊舱4内部的三分量接收线圈的同步收放及过载剪断，收录监控系统5记录存储接收系统所采集的数据；固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统用于开展地质填图、矿产勘查、水文地质和环境监测等勘查工作。
如图1所示，收录监控系统5和发射机3采用减震方式安装在载荷舱内，通过机身框上的纵向结构件和横向结构件组成的转接结构进行固定，在一次场电磁场的激发下，地下导体中产生感应涡流，进而产生感应二次电磁场，收录监控系统5在一次电磁场发射时不工作，在一次电磁场断开后按一定时间间隔分道取样测量二次电磁场衰减的数据并存储。
发射线圈1内导线采用多股漆包铜线，用于减小涡流损耗和直流电阻；导线外层包裹橡胶，用于防雨、防腐、抗老化。发射线圈1采用3匝线圈形成封闭形状，围绕无人机外缘架设，安装在无人机机头、无人机机翼和无人机腹鳍结构上。如图2所示，发射线圈1在无人机机头采用水平支杆1-1和斜撑杆1-2进行安装，在无人机机头口盖上开有四个孔，水平支杆1-1从无人机机头口盖上方孔穿过，斜撑杆1-2从无人机机头口盖下方孔中穿过，水平支杆1-1和斜撑杆1-2采用卡箍形式连接，水平支杆1-1和斜撑杆1-2材料为7075铝合金冷拉管材，外径50mm，壁厚5mm，水平支杆1-1长度为2000mm，斜撑杆1-2长度为350mm；如图3所示，发射线圈1在无人机机翼处采用翼尖延伸整流罩1-3进行安装，翼尖延伸整流罩1-3通过支杆连接在无人机机翼翼尖上，翼尖延伸整流罩1-3采用椭圆柱体外形，椭圆柱体长半径340mm，椭圆柱体短半径40mm，椭圆柱体高90mm，翼尖延伸整流罩1-3外壳采用纤维玻璃钢材料，内部结构采用钛合金材料；如图4所示，发射线圈1在无人机腹鳍处采用腹鳍延伸整流罩1-4进行安装，腹鳍延伸整流罩1-4通过支杆连接在无人机腹鳍上，翼尖延伸整流罩1-4采用椭圆柱体外形，椭圆柱体长半径380mm，椭圆柱体短半径45mm，椭圆柱体高80mm，腹鳍延伸整流罩1-4外壳采用纤维玻璃钢材料，内部结构采用钛合金材料；线圈之间每隔2米顺航向设置保持架，以保持线圈在飞行时间距基本不变；线圈保持架上设有导向片，导向片顺航向设置，使发射线圈各匝在飞行时基本保持共面；翼尖延伸整流罩外壳、腹鳍延伸整流罩外壳、翼尖延伸整流罩连接支杆、腹鳍延伸整流罩连接支杆、发射线圈保持架和导向片的均采用纤维玻璃钢材料，具有重量轻、强度高、刚度大的特点，用以保证在飞行中变形及振动小，其余固定部件材料为金属材料；发射线圈匝数越多，发射线圈面积越大，发射电感量越大，发射效率越高，航空电磁测量精度越高，本发明以3匝发射线圈为例，如需增加发射线圈数量，需增设发射线圈导向片及发射线圈保持架，并适当调整水平支杆1-1、斜撑杆1-2、翼尖延伸整流罩1-3及腹鳍延伸整流罩1-4尺寸。
如图5所示，接收机吊舱4包含吊耳4-1、滴状体4-2和羽毛体4-3，整体采用非金属材料；接收机吊舱4通过吊耳4-1连接在吊舱挂架上，吊舱挂架通过自动投放装置安装在无人机机腹下方且位置处于载荷舱的正下方；在保证接收机吊舱4气动稳定性的前提下，接收机吊舱4的横截面直径应尽量大，以提供足够的内部空间安装三分量接收线圈，滴状体4-2采用仿锤体外形，仿锤体的最大横截面直径500mm，仿锤体的最大纵向长度2300mm，接收机吊舱4重量40kg，重心位置位于接收机吊舱纵向长度1460mm处，滴状体4-2外壳采用蜂窝结构的纤维玻璃钢材料，可以有效保证在无人机飞行过程中接收机吊舱4内部的三分量接收线圈的振动频率＜25Hz，实现三分量接收线圈的有效避振。在攻角为-3°时，阻力、升力和俯仰力分别为4.680、-2.712、-2.276，4.451；在攻角为0°时，阻力、升力和俯仰力分别为4.451、0.171，-0.109；在攻角为3°时，阻力、升力和俯仰力分别为4.618、3.440、2.361，接收机吊舱4在不同攻角时阻力和升力值都较小，对无人机气动性能和飞行性能无影响。接收机吊舱4在展开回收和紧急投放状态下，无人机重心位置相对位移量分别为2.30％和4.30％，重心移动对操稳特性的影响在可接受的范围内。羽毛体4-3外壳材料为非金属材料，包含8片安定面，最上方的两片安定面均与无人机对称面成22.5度夹角，防止接收机吊舱4收放过程中尾部羽毛体4-3与机身碰撞。
固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统较传统有人机航空电磁勘查系统具有夜航飞行、搭载能力强、低空沿地形跟随飞行、危险性低等优势。无人机飞行平台具备夜航飞行能力，因此使得固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统具备夜航能力；无人机飞行平台搭载能力强，最大载荷重量1000kg，可以同时搭载发射系统、接收系统和监控收录系统，且发射系统的发射线圈匝数可根据测量需求进行增加；无人机具备在200m低空沿地形跟随飞行能力，因此使得固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统具备低空沿地形跟随飞行能力；无人机具有机动灵活、无人驾驶的特点，因此使得固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统具备危险性小的特点。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。
Claims (9)
1.一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：搭载在无人机飞行平台上的发射系统、接收系统和收录监控系统(5)；
发射系统包括发射线圈(1)和发射机(3)；发射机(3)安装在无人机载荷舱内，发射线圈(1)以封闭形状安装在无人机机头、无人机机翼和无人机腹鳍结构上；无人机为发射系统供电，脉冲电流激发发射线圈(1)产生航空电磁系统测量用的一次电磁场；所述发射线圈(1)内的导线采用多股漆包铜线，外层包裹橡胶；
接收系统包括接收机吊舱(4)和电动绞车(2)，安装在无人机机腹下方且位置处于载荷舱的正下方，接收机吊舱(4)用于接收来地下导体中感应涡流产生的二次电磁场，电动绞车(2)用于接收机吊舱(4)内部三分量接收线圈的同步收放及过载剪断；
收录监控系统(5)安装在载荷舱内，通过电源线缆和同步线缆与发射机(3)相连，用于记录存储接收系统所采集的数据。
2.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：所述发射机(3)采用减震方式安装在载荷舱内；发射线圈(1)采用3匝线圈形成封闭形状，围绕无人机外缘架设，安装在无人机机头、无人机机翼和无人机腹鳍结构上；发射线圈(1)在无人机机头采用水平支杆(1-1)和斜撑杆(1-2)进行安装，在无人机机头口盖上开设四个孔，水平支杆(1-1)从无人机机头口盖上方孔穿过，斜撑杆(1-2)从无人机机头口盖下方孔中穿过，水平支杆(1-1)和斜撑杆(1-2)采用卡箍形式连接，所述水平支杆(1-1)和斜撑杆(1-2)材料为7075铝合金冷拉管材，外径50mm，壁厚5mm，水平支杆(1-1)长度为2000mm，斜撑杆(1-2)长度为350mm；发射线圈(1)在无人机机翼处采用翼尖延伸整流罩(1-3)进行安装，翼尖延伸整流罩(1-3)通过支杆连接在无人机机翼翼尖上，所述翼尖延伸整流罩(1-3)采用椭圆柱体外形，椭圆柱体长半径340mm，椭圆柱体短半径40mm，椭圆柱体高90mm，翼尖延伸整流罩(1-3)外壳采用纤维玻璃钢材料，内部结构采用钛合金材料；发射线圈(1)在无人机腹鳍处采用腹鳍延伸整流罩(1-4)进行安装，腹鳍延伸整流罩(1-4)通过支杆连接在无人机腹鳍上，所述翼尖延伸整流罩(1-4)采用椭圆柱体外形，椭圆柱体长半径380mm，椭圆柱体短半径45mm，椭圆柱体高80mm，腹鳍延伸整流罩(1-4)外壳采用纤维玻璃钢材料，内部结构采用钛合金材料；发射线圈(1)之间每隔2米顺航向设置线圈保持架，以保持发射线圈(1)在飞行时间距基本不变。
3.根据权利要求2所述的一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：线圈保持架上设有导向片，导向片顺无人机航向设置，使各匝发射线圈(1)在飞行时保持共面。
4.根据权利要求2所述的一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：所述翼尖延伸整流罩外壳、腹鳍延伸整流罩外壳、翼尖延伸整流罩连接支杆、腹鳍延伸整流罩连接支杆、发射线圈保持架和导向片的材料为纤维玻璃钢，以保证发射线圈(1)振动频率避开25Hz～25kHz，其余固定部件材料为金属材料。
5.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：所述接收系统包括接收机吊舱(4)和电动绞车(2)；接收机吊舱内部安装三分量接收线圈，接收机吊舱(4)通过吊耳(4-1)连接在吊舱挂架上，吊舱挂架通过自动投放装置安装在无人机机腹下方且位置处于载荷舱的正下方；电动绞车(2)安装在电动绞车整流罩内，电动绞车整流罩采用轻质复合材料，通过自动投放装置安装在无人机机腹下方且位置处于接收机吊舱(4)的正前方。
6.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：所述收录监控系统(5)采用减震方式安装在载荷舱内，通过机身框上的纵向结构件和横向结构件组成的转接结构进行固定，用于记录存储接收系统所采集的数据。
7.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：所述接收机吊舱(4)整体采用非金属材料，包括滴状体(4-2)和羽毛体(4-3)；滴状体(4-2)采用仿锤体外形；羽毛体(4-3)包含8片安定面，最上方的两片安定面均与无人机对称面成22.5度夹角。
8.根据权利要求7所述的一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：所述仿锤体的最大横截面直径500mm，仿锤体的最大纵向长度2300mm，滴状体(4-2)的外壳材料为纤维玻璃钢，并采用蜂窝结构；羽毛体(4-3)的外壳材料为非金属材料。
9.根据权利要求1所述的一种固定翼无人机时间域航空电磁勘查系统，其特征在于：所述接收机吊舱(4)能够进行收放，且在电动绞车(2)故障或接收机吊舱(4)意外拖挂时，系统够按照指令整体投放电动绞车(2)和接收机吊舱(4)，确保无人机的飞行安全。
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|---|---|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113050175A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-29 | 吉林大学 | 直升机航空电磁收录装置及发射源参数识别方法 |
| CN113204055A (zh) * | 2021-05-06 | 2021-08-03 | 桂林理工大学 | 一种基于无人机的航空电磁法测量系统 |
| CN114114432A (zh) * | 2021-12-01 | 2022-03-01 | 中国地质调查局地球物理调查中心 | 基于无人机的频率域多频电磁探测系统及方法 |
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2020
- 2020-08-12 CN CN202010808281.9A patent/CN111965717A/zh active Pending
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| CN113050175B (zh) * | 2021-03-08 | 2022-05-13 | 吉林大学 | 直升机航空电磁收录装置及发射源参数识别方法 |
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