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我国航空物探技术装备获重大突破
[ 来源:国土资源部网站 | 作者:原创 | 日期:2012年12月28日  浏览4830 次    关 闭  打印本页 ]


--国家863计划重大项目“航空地球物理勘查技术系统”成果巡礼

    ● 5年来,中国国土资源航空物探遥感中心与合作单位的科技人员研制出了全数字化航空伽玛能谱仪等9套仪器设备和4台样机;开发了航空物探综合处理解释系统等9套软件,实现了国产化;初步建立了我国航空物探仪器动态试验场,建立了3个专项试验场,大大缩小了我国与发达国家在航空物探领域的差距,使我国航空重力技术、航空放射性仪器从无到有,使航空磁测技术、航空电磁技术发生了质的飞跃,显着地推进了我国航空地球物理技术装备的跨越式发展。

  ● 5年来,航遥中心与合作单位的科技人员突破了时间域电磁大功率发射等20项关键技术,累计申请各类专利51项,其中22项已获授权;申请着作权10项,其中9项已登记;发表学术论文193篇,其中被SCI、EI收录67篇;出版专着4部;形成内部标准5个。关键技术的突破,不仅确保了项目任务的圆满完成,同时标志着我国航空物探领域自主研发能力提高到了新的水平。

  ●“航空地球物理勘查技术系统”研发的目的不仅仅是为了达到科研目标,更重要的是在地质调查、矿产勘查中发挥重要作用,在复杂条件下解决地质调查、矿产勘查中的实际问题。通过应用示范,项目研发的多项成果具备了实际调查能力。

  1.取得十大成果 实现了航空物探技术的跨越式发展

  高精度数字航空磁测勘查系统。由全数字化航空氦光泵磁力仪、单通道实时磁补偿仪、海量数据收录系统组成。同时,研制了配套的地面数字化氦光泵磁力仪、数字化地面磁日变站系统和航磁测量数据处理解释方法及软件。它具有完全的自主知识产权。

  数字航磁补偿仪和空中数据收录系统。该系统实现了磁探测器由模拟向数字信号的转变,从根本上提高了仪器的灵敏度和可靠性。通过测试和5.1万测线千米的应用示范生产,该系统全面达到设计指标,总体达到国际先进水平,部分指标达到国际领先水平。

  数字航磁全轴梯度勘查系统。以四通道全数字化航空氦光泵磁力仪、多通道实时磁补偿仪、海量数据收录系统为主要部件,经飞机改装后集成为有机整体--数字航磁全轴梯度勘查系统。同时,研制了配套的航磁及梯度多参量测量数据处理解释方法及软件。该系统具有完全自主知识产权,填补了国内空白,实现了航空磁测由单一总场测量向总场加梯度的多参数测量转变,提高了测量分辨率,丰富了磁场信息。通过测试和2.5万测线千米的应用示范生产,该系统全面达到设计指标,总体达到国际先进水平,部分指标达到国际领先水平。

  吊舱式时间域直升机航空电磁勘查系统。由大功率电磁发射系统(发射线圈直径为12米)和低噪声电磁接收系统组成。同时,研发了配套的时间域直升机航空电磁数据处理与解释软件系统。该系统具有自主知识产权,填补了国内空白。该系统实现了航空电磁测量由频率域向时间域的转变,探测深度由150米增加到400米。通过测试和4860 测线千米试生产,该系统各项指标均达到设计要求,部分指标达到国际先进水平。

  时间域固定翼航空电磁勘查系统样机。由环绕在国产Y12IV型飞机支架上的大功率电磁发射线圈和高灵敏度、气动性能稳定的接收吊舱组成,具有完全自主知识产权,填补了国内空白。该系统实现了航空电磁测量由频率域向时间域的转变,具有探测深度大、作业效率高的特点。通过测试,其静态技术指标达到或超过设计指标。

  数字化航空伽玛能谱勘查系统。由航空伽玛能谱仪主控系统和航空伽玛能谱探测器组成。同时,研发了配套的航空伽玛能谱勘查方法技术软件。它具有自主知识产权,填补了国内空白,实现了我国自主研发的航空放射性测量系统由无到有的转变。通过测试和2万测线千米的试生产,该系统各项技术指标全部达到或优于设计指标,总体达到国际先进水平。

  航空物探遥感综合勘查系统。包括宽视场角数字航空相机、多航空遥感传感器集成系统、航空物探(重/磁)综合勘查系统、航空物探(重/磁)与遥感综合勘查系统、全部国产化的航空物探(磁/电/放)综合勘查系统。同时,研制了基于航空物探飞行模式的遥感影像数据处理软件,填补了国内空白。综合勘查系统一次测量可同时获取重力、磁力、遥感正摄影像图和数字地形模型图等多种参数,具有更广泛的用途。通过测试和应用示范,航空重/磁综合勘查系统、航空重/磁/遥综合勘查系统技术指标全部达到或优于设计指标。

  新一代航空物探综合处理解释系统软件。包括插件式GeoProbe地球物理开发平台和航空磁力、重力、伽玛能谱、电磁数据处理与成图、数据转换处理、成矿预测等软件模块。这些模块集成于GeoProbe平台,填补了国内空白。该成果实现了国产地球物理软件的系统化、可视化、智能化,对提高航空地球物理的数据处理能力和解释水平具有重要意义。

  航空物探仪器检测场和动态试验场。包括大井坡航空物探动态试验场,以及密云航空电磁系统检测场、寿光航空重力系统检测场和滦南航空磁测系统检测场3个专业检测场,为我国航空地球物理仪器研发的标准化、工程化提供了检测评价条件。

  航空高光谱遥感资源勘查实用化应用系统。航空高光谱矿物识别系统、航空高光谱数据管理系统、ACORN大气校正软件和TSG矿物专家识别系统,构建了基于矿物成分差异的特征谱系及其定量关系,识别的矿物种类达到了31种,为高光谱在地质调查和矿产勘查中应用打下了基础。

  技术要求和指南。《航空高光谱地质勘查技术指南(建议稿)》、《航空地球物理勘查技术系统硬件研发技术要求》、《航空地球物理勘查技术系统软件开发技术要求》、《航空物探数据处理解释系统插件技术指南》、《航空伽玛能谱勘查系统测试技术要求》等,为航空地球物理勘查技术的发展、推广、应用提供了技术标准。

  2.突破多项关键技术 大大提高了自主研发能力

  高动态磁场数字跟踪技术。数字式航空氦光泵磁力仪实现了跟踪式光泵磁力仪中相敏检波、频率调制和压控振荡器等数字化,突破了不同的频带宽度下,仪器的超调量、带宽时间乘积和直流增益相互制约影响的难题,在信号剧烈变化时,确保了信号不失真,大大提高了仪器的可靠性。

  多通道同步高精度测频技术。设计开发了多道共享基准的具有相位检测功能的滚筒式多周期同步测频电路,有效减小了量化误差;在保障仪器高分辨率的同时实现了各道磁场之间的严格同步和高采样率,保证了梯度测量数据的高精度。

  航磁梯度实时数字补偿技术。在国内首次实现了航磁梯度数据的实时数字式补偿处理。建立了飞机梯度干扰场的数学模型,提出了飞机梯度干扰场的补偿方法,实现了有效的航磁梯度测量补偿,同时磁梯度仪有效地消除了各道磁场间的频率牵引现象,大大减少了飞机飞行中的干扰。

  航磁全轴梯度系统改装集成技术。科学设计探头舱及探杆的结构、外形及几何位置,选用高强度无磁轻型材料,合理布线,保证探测器受到的磁干扰最小。试飞表明:系统工作稳定、数据可靠、噪声水平低、测量精度高、安全性能好,全面达到或超过了设计指标。

  时间域航空电磁勘探系统大磁矩发射技术。研发了组合波发射技术,解决了上升沿、下降沿及波形可控难题。研发了超级电容间歇充放电、组合波发射等专利技术,攻克了大磁矩发射的技术难题,实现了大磁矩发射电流的精确控制。

  磁通反馈的空心线圈传感器技术。创新性地提出了在空心线圈传感器上采用磁通反馈结构,避免了匹配电阻的使用,从而提高了传感器输出信噪比,在静态条件下达到了国外同类产品的先进水平。

  固定翼时间域航空电磁勘查系统专用飞机改装技术。通过400多小时的模型风洞试验,解决了飞机安定性、阻力增加、发射线圈共振、接收吊舱抛放收起等气动难题。研制了紧急情况下可自动切断的接收吊舱电动绞车收放系统、水滴状接收吊舱、符合航空条件要求的专用发射电缆和接收电缆,解决了飞机改装特殊材料的研制难题,从而掌握了固定翼时间域航空电磁勘查系统飞机改装技术。

  固定翼时间域航空电磁勘查系统高灵敏度吊舱三分量接收技术。攻克了电屏蔽、最佳阻尼匹配、航空条件下接收传感器避振等技术难题,有效降低了接收线圈飞行过程中振动噪声对系统测量性能的影响。成功研制了轻量化几何对称三分量正交感应线圈接收传感器,使三分量物理参数及电参数基本一致。

  时间域航空电磁数据处理关键技术。其一是合理的叠加抽道技术,采用了可变时间叠加方法、近似等对数间隔抽道方法,获得了较好的效果。其二是快速实用的数据质量监控技术,采用大数据量快速调用与图形显示技术,实现了质量快速评价功能,提高了质量监控工作效率。其三是有效的滤波处理技术,采用有限冲击响应滤波、预测滤波、SR滤波、中值滤波等,有效地抑制或消除了电磁噪声。

  数字化航空伽玛能谱仪设计技术。采用了当代先进的微电子器件、数字信号处理技术、嵌入式系统和工业计算机,将核辐射信号的模拟采集与数字处理相结合、电子线路硬件设计与计算方法软件相结合,实现了航空伽玛能谱的全数字化采集与处理。使用数字算法实现了离散核脉冲数据的滤波、成形放大、脉冲抗堆积、基线恢复及脉冲幅度提取,大大减少了温度的影响,提高了脉冲计数通过率、能量分辨率以及系统的稳定性。

  航空伽玛能谱PID数字稳谱技术。该技术突破了传统方式,将PID自动控制原理论应用于核仪器谱线漂移的精密控制当中,自动消除谱漂与实际电压调节量之间的线性关系的累积误差效应,对非线性系统具备优秀的调节能力。将卡尔曼滤波技术应用于航空伽玛能谱采集的实时仪器微分谱处理,提高了对微弱信息的辨识度,降低了噪声信号,确保了仪器的运算实时性。

  实用化的航空高光谱遥感矿物识别与填图技术。构建了白云母和绿泥石的精细特征谱系,获得4个定量关系。 其中的O-H羟基波长与矿物成分的定量关系为首次提出。自主开发了高光谱矿物识别系统,在国内首次实现了高光谱遥感数据的基于业务流程的处理。

  基于航空物探飞行模式的航空遥感测量新技术。针对航空物探飞行模式的要求,研制了国内首台宽视场角彩色面阵航空数码相机,解决了航空环境大容量数据高速存储难题。研发出基于航空物探飞行模式的多航空遥感传感器集成系统,解决了基于POS技术的航空物探飞行模式下机载激光雷达数据系统误差检校、条带拼接、数字高程模型的直接获取等技术难题,实现了航空物探飞行模式下,多航空遥感数据的综合处理。

  航空物探(磁/重)与遥感综合勘查系统综合集成技术。采用大规模可编程ASIC集成电路技术实现了数字式航空氦光泵磁力仪与航磁测量系统小型化。采用GPS秒脉冲(1PPS)信号实现了多源数据的同步采集。采用双线制供电、多次滤波、隔离技术等,减少了机载设备对物探设备以及测量系统之间的电磁干扰。

  先进的GeoProbe地球物理软件平台研发技术。采用软件插件技术和分层架构技术等,研发的“地质探针”2.0版地球物理软件开发平台,既可作为二次开发平台,又可作为软件集成平台。其“即插即用”的扩展软件功能,解决了国内地球物理软件研发中普遍存在的软件系统扩展不易、维护不便、功能定制不足等技术难题。

  3.应用示范 多项成果具备实际调查能力

  数字式航磁/航磁全轴梯度系统的应用。在内蒙古、河北等地进行了示范应用,获得的数据磁场信息丰富、分辨率高,反映的地质细节清晰。航磁梯度在异常的选编、突出局部异常、确定构造走向等方面具有明显优势。 对示范区取得的实测航磁梯度数据进行了地质解译,圈定了一批有找矿意义的异常,部分异常已得到地面验证。同时,建立了航磁全轴梯度勘查系统的测量方法及数据处理流程,为航磁全轴梯度的规模化应用奠定了坚实的基础。课题成果已形成实际生产力,可进一步推广应用。

  航空伽玛能谱勘查系统的应用。在内蒙古西乌珠穆沁旗-巴林左旗一带开展了航空伽玛能谱勘查系统试验性生产,结合区内地质、遥感等资料,完成了航空伽玛能谱资料解释,获得了测区内的岩性分布和地质构造特征,取得了很好的地质应用成果。

  高光谱应用系统。在新疆柯坪和甘肃柳园完成了1030 平方千米的应用示范。根据遥感找矿模型与工作区蚀变强度分布图,圈定出8个高光谱成矿有利区,其中两个已开始小规模开发。

  航空物探与遥感综合勘查系统的应用。集成的航空磁/重/遥、航空重/磁和航空磁/电/放3套综合勘查系统完成了24045千米试验飞行。结果表明,物探飞行模式的航空遥感传感器集成系统已经被成功应用到航空物探研究领域,为其提供了基础地理数据,获得了很好的效果,可广泛应用于基础地质调查、矿产勘查、油气资源调查、地下水勘查、环境监测、国防建设等众多领域。

  吊舱式直升机时间域航空电磁系统应用。在我国河南开展了近5000千米的试生产。通过对该示范区的勘查,发现的异常和地面已有资料对应良好,在低洼沉积(含水形成低阻)以及断裂地带形成条带状的异常反应清晰,具有明显效果。开发集成的吊舱式直升机时间域航空电磁系统具有机动、灵活的特点,适合于复杂地形条件下作业,应用前景极为广阔,在矿产勘查、地下水勘查、海洋勘查等方面均可以发挥重要作用。

  新一代航空物探综合处理解释系统的应用。研发的“地学探针”2.0版地球物理软件开发平台,已在浙江大学、吉林大学、中国地质大学(北京)、中南大学、成都理工大学、国防科技大学、东南大学、航遥中心等11家单位的物探软件开发中应用,用户达92个。基于“地学探针”2.0版地球物理软件开发平台开发集成的新一代航空物探综合处理解释系统已在航遥中心应用,并在全国31个省(区、直辖市)的40家地勘单位使用,用户达100多个。该软件系统的推广应用,将全面提高我国地球物探软件研发水平和数据处理解释能力。

  结 语

  “十一五”国家863计划资源环境领域“航空地球物理勘查技术系统”重大项目得到了国家科技部、国土资源部和中国地质调查局的高度重视,受到多位老一辈地球物理学家们的高度关注和大力支持。

  项目汇集了航遥中心主任王平教授、副主任兼总工熊盛青高工(项目总体专家组组长),以及周坚鑫、陈斌、周锡华教授级高工等学术领军人物,同时联合了浙江大学林强教授、地科院物化探研究所副所长胡平教授级高工、成都理工大学葛良全教授、吉林大学林军教授等专家,显着地提高了我国航空物探勘查系统的分辨率、稳定性和探测深度,形成了强大的系统研发能力,使我国航空磁法、航空重力、航空伽玛能谱等测量技术总体达到国际先进水平,初步实现了航空物探主要技术装备的国产化。

  然而,应该清醒地看到,这与世界领先水平还有一定差距,与国家和社会的要求还有一定距离。百尺竿头,再进一步。航遥中心及其合作单位决心通过一两个5年计划,使我国航空物探技术达到世界领先水平,为国家和社会的发展做出更大贡献。


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