CN114280688A - 一种基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统及其运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统及其运行方法，包括地面大功率电磁发射源和空中无人机平台，在空中无人机平台上搭载电磁探测系统、重力探测系统和伽马能谱探测系统。本发明所公开基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统，针对0—200米的地下人工空洞探测而设计，能够有效探测浅地表地下人工空洞信息，可将航空电磁、航空重力、航空伽马能谱等多物理场探测系统获取的单源信息进行合理的数据融合与解释，提升了对地下人工空洞的探测分辨率和识别准确率，实现了由地表到地下的快速、高效、多尺度立体探测。

Description

一种基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统 及其运行方法

技术领域

本发明属于地下人工空洞探测领域，特别涉及该领域中的一种基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统及其运行方法。

背景技术

航空地球物理探测技术是快速、高效、非破坏性的现代高科技民用和军用技术，是一种快速、准确实现非接触、无损伤探测的技术，可以快速探测城市进攻战中人造空洞（地下兵工厂、地下弹药库、地下指挥所）并进行分类识别，减少城市进攻战的盲目性，也为城市防御战中我方地下人造空洞的设计与建设提供指导。在民用方面，发展地下空间是城市空间拓展的重要趋势，城市地下空间拓展也由浅层向深层发展，发展高效、快速、大尺度、精细探测的航空地球物理勘查技术，对城市地下空间开发利用、综合管理和防灾减灾有重要的意义。

针对地下人工空洞等地下目标体的探测，目前应用较为广泛的地球物理探测技术主要包括：航空重力探测技术、航空电磁探测技术、探地雷达技术等。1)航空重力探测是以飞机为载体，综合应用重力仪、GPS和测高、测姿设备测定近地空中重力加速度的重力测量技术。地下人工建筑在建造工程中，必然改变地下物质的分布情况，属于浅层的小异常质量体，有利于发挥重力测量的优势。2）半航空电磁探测利用地面大功率人工电磁源作为激励场源，通过空中采集磁场信号，通过反演地层电阻率实现对地下异常结构的快速勘察。3）探地雷达利用地下不同物质的电磁波导电性差异，来分辨地下物质的密度分布情况，可安装在地表移动载体或低空飞行器上，能够对区域范围内地下异常质量的分布情况作出识别和判断。

重力探测用于地下目标体探查的必要条件是目标与围岩之间必须具有能够引起观测异常的密度差，对于密度差较小，目标埋深较深，非研究对象引起异常较大及地表地形崎岖不平等，其识别能力较差；电磁法探测必要条件是不同岩层之间、岩石或矿石之间存在电磁性质差异，对于电磁性差异较小、干扰因素较大等，其识别能力较差；探地雷达受环境的影响较大，探测的准确性随埋深的增加而迅速衰减。

航空重力探测、航空电磁法探测、探地雷达等方法，在地球物理勘探中虽然有所成效，但是单源数据的处理与研究在应用上有一定局限性，不可能做到掌握全部的细节，对地下人工空洞的探测识别准确度低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统及其运行方法。

本发明采用如下技术方案：

一种基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统，其改进之处在于：包括地面大功率电磁发射源和空中无人机平台，在空中无人机平台上搭载电磁探测系统、重力探测系统和伽马能谱探测系统。

一种运行方法，适用于上述基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统，其改进之处在于，包括如下步骤：

步骤1，研究探测机理与方法：

通过理论研究电磁场、重力场、放射性场在地下有耗介质中的传输衰减特性与频散规律分布，搭建基于无人机平台的航空电磁、航空重力、航空伽马能谱探测系统，根据不同地层深度及需求，优选探测组合方式及工作频率，进而获取有效的地下人工空洞信号探测模式与探测方法；

步骤2，自适应环境影响校正：

在无人机飞行探测过程中，快速解析传感器位置信息，建立多物理场传感器测量响应数据库，根据几何因素和多参数因素，形成自适应环境影响校正体系；几何因素包括姿态、位置和高度；多参数因素包括电阻率、地层密度和放射性；

步骤3，多参数智能联合反演：

以航空重力、电磁、伽马三种物理场的多参数信息进行地下人工空洞联合反演，以航空伽马异常为约束条件，基于数据融合电磁、重力异常联合同步反演技术，提升目标探测分辨率；同时对每个传感器获取的目标信息，利用特征提取方法提取目标特征数据，运用智能特征融合算法，对多物理场多参数反演成像图进行特征级融合；

步骤4，物理模拟实验：

通过建立物理模拟实验，消除多物理场探测中的背景噪声对仪器刻度的影响，结合姿态位置物理补偿与多参数因素误差校正，提升对地下人工空洞的探测精度与识别准确率。

进一步的，步骤3还包括：多尺度网格区域分解、DG-FEM间断有限元算法、CUDA多核协同加速计算平台、地下地层跨尺度精细模拟、构建地下复杂人工空洞响应数据库、数据模型、物理模型、数据融合多参数联合反演智能算法优化和地下人工空洞多参数智能提取方法构建。

进一步的，步骤4还包括：地下人工空洞探测模拟方案设计、系统样机研制及硬件系统综合、地下人工空洞环境的选取与构建。

本发明的有益效果是：

本发明所公开基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统，针对0—200米的地下人工空洞探测而设计，能够有效探测浅地表地下人工空洞信息，可将航空电磁、航空重力、航空伽马能谱等多物理场探测系统获取的单源信息进行合理的数据融合与解释，不仅可以保留单源数据的信息，提高数据利用率，还可以通过数据融合、决策级融合、特征级融合，得到比单一源数据更丰富、更精细的信息，提升了对地下人工空洞的探测分辨率和识别准确率，实现了由地表到地下的快速、高效、多尺度立体探测。

本发明所公开的运行方法，以无人机作为飞行搭载平台，快速解析传感器位置信息，结合几何因素（飞行姿态、位置、高度等）和多参数因素（电阻率、地层密度和放射性等），形成自适应环境影响校正技术，提高探测效率和精度，为地下人工空洞多参数智能反演提供数据支撑；建立多物理场响应物理模拟测量系统，消除大地背景噪声对探测系统刻度的影响，通过姿态位置等物理补偿与多参数因素误差校正提升对地下人工空洞的探测识别准确率。

附图说明

图1是本发明实施例1所公开综合探测系统的组成框图；

图2是本发明实施例1所公开综合探测系统的探测原理示意图；

图3是本发明实施例1所公开运行方法的流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，如图1，2所示，本实施例公开了一种基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统，包括地面大功率电磁发射源和空中无人机平台，在空中无人机平台上搭载电磁探测系统、重力探测系统和伽马能谱探测系统，用于完成地下人工空洞多物理场精细探测。

如图3所示，本实施例还公开了一种运行方法，适用于上述基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统，使其成为高效、快速、高分辨率的综合探测体系。包括如下步骤：

步骤1，研究探测机理与方法：

通过理论研究电磁场、重力场、放射性场在地下有耗介质中的传输衰减特性与频散规律分布，搭建基于无人机平台的航空电磁、航空重力、航空伽马能谱探测系统，根据不同地层深度及需求，优选探测组合方式及工作频率，进而获取有效的地下人工空洞信号探测模式与探测方法；

步骤2，自适应环境影响校正：

在无人机飞行探测过程中，快速解析传感器位置信息，建立多物理场传感器测量响应数据库，根据几何因素和多参数因素，形成自适应环境影响校正体系，为多参数智能反演提供更加精准的数据支撑；几何因素包括姿态、位置和高度等；多参数因素包括电阻率、地层密度和放射性等；

步骤3，多参数智能联合反演：

以航空重力、电磁、伽马三种物理场的多参数信息进行地下人工空洞联合反演，考虑数据的特殊性，以航空伽马异常为约束条件，基于数据融合电磁、重力异常联合同步反演技术，提升目标探测分辨率；同时对每个传感器获取的目标信息，利用特征提取方法提取目标特征数据，运用智能特征融合算法，对多物理场多参数反演成像图进行特征级融合；

步骤4，物理模拟实验：

通过建立物理模拟实验，消除多物理场探测中的背景噪声对仪器刻度的影响，结合姿态位置物理补偿与多参数因素误差校正，显著提升对地下人工空洞的探测精度与识别准确率。

在本实施例中，步骤3还包括：多尺度网格区域分解、DG-FEM间断有限元算法、CUDA多核协同加速计算平台、地下地层跨尺度精细模拟、构建地下复杂人工空洞响应数据库、数据模型、物理模型、数据融合多参数联合反演智能算法优化和地下人工空洞多参数智能提取方法构建。步骤4还包括：地下人工空洞探测模拟方案设计、系统样机研制及硬件系统综合、地下人工空洞环境的选取与构建。

Claims (4)

1.一种基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统，其特征在于：包括地面大功率电磁发射源和空中无人机平台，在空中无人机平台上搭载电磁探测系统、重力探测系统和伽马能谱探测系统。

2.一种运行方法，适用于权利要求1所述基于无人机平台的地下人工空洞多物理场综合探测系统，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，研究探测机理与方法：

通过理论研究电磁场、重力场、放射性场在地下有耗介质中的传输衰减特性与频散规律分布，搭建基于无人机平台的航空电磁、航空重力、航空伽马能谱探测系统，根据不同地层深度及需求，优选探测组合方式及工作频率，进而获取有效的地下人工空洞信号探测模式与探测方法；

步骤2，自适应环境影响校正：

在无人机飞行探测过程中，快速解析传感器位置信息，建立多物理场传感器测量响应数据库，根据几何因素和多参数因素，形成自适应环境影响校正体系；几何因素包括姿态、位置和高度；多参数因素包括电阻率、地层密度和放射性；

步骤3，多参数智能联合反演：

以航空重力、电磁、伽马三种物理场的多参数信息进行地下人工空洞联合反演，以航空伽马异常为约束条件，基于数据融合电磁、重力异常联合同步反演技术，提升目标探测分辨率；同时对每个传感器获取的目标信息，利用特征提取方法提取目标特征数据，运用智能特征融合算法，对多物理场多参数反演成像图进行特征级融合；

步骤4，物理模拟实验：

通过建立物理模拟实验，消除多物理场探测中的背景噪声对仪器刻度的影响，结合姿态位置物理补偿与多参数因素误差校正，提升对地下人工空洞的探测精度与识别准确率。

3.根据权利要求2所述的运行方法，其特征在于，步骤3还包括：多尺度网格区域分解、DG-FEM间断有限元算法、CUDA多核协同加速计算平台、地下地层跨尺度精细模拟、构建地下复杂人工空洞响应数据库、数据模型、物理模型、数据融合多参数联合反演智能算法优化和地下人工空洞多参数智能提取方法构建。

4.根据权利要求2所述的运行方法，其特征在于，步骤4还包括：地下人工空洞探测模拟方案设计、系统样机研制及硬件系统综合、地下人工空洞环境的选取与构建。

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