本公開涉及電磁探測，尤其涉及一種無人機(jī)陣列式航空多分量電場、磁場協(xié)同探測系統(tǒng)及探測方法。

背景技術(shù)：

1、感應(yīng)電磁法（transient?electromagnetic?method,?tem）是一種通過分析和研究地下介質(zhì)在外部場源激勵(lì)下的感應(yīng)渦流產(chǎn)生的二次場響應(yīng)特征，從而獲取地下介質(zhì)電阻率分布的地球物理方法。其基本原理是利用不接地回線或接地線源向地下發(fā)射一次脈沖磁場，在一次脈沖磁場間歇期間，利用線圈或接地電極探測地下介質(zhì)中引起的二次感應(yīng)渦流場。通過測量斷電后各個(gè)時(shí)間段的二次場隨時(shí)間變化規(guī)律，可以得到不同深度的地電特征。感應(yīng)電磁法根據(jù)儀器搭載平臺不同，可主要分為全航空、半航空和地面探測三種模式。其中，全航空瞬變電磁法采取直升機(jī)或者無人機(jī)搭載電磁場收發(fā)一體化裝備，利用回線源發(fā)射一次脈沖磁場，激發(fā)地下異常電性體產(chǎn)生二次電磁場響應(yīng)，其測量的磁場響應(yīng)對低阻目標(biāo)敏感，多用于金屬礦產(chǎn)、地下水等目標(biāo)探測。

2、當(dāng)前，航空電磁探測技術(shù)已發(fā)展應(yīng)用較為成熟，該系統(tǒng)借助無人機(jī)或直升機(jī)將整個(gè)回線源收發(fā)裝置置于空中開展探測，具備機(jī)動(dòng)靈活，人力成本低，探測效率高的優(yōu)點(diǎn)。然而傳統(tǒng)的航空電磁探測技術(shù)僅探測單分量磁場信號，不能實(shí)現(xiàn)空中電場測量，以至于地面電性源電場測量系統(tǒng)不能拓展到無人機(jī)平臺，依舊需要人力在地面布站作業(yè)。直到近幾年來，電場傳感器硬件技術(shù)得到突破性進(jìn)展，才使得空中電場分量的穩(wěn)定測量成為可能；另一方面，現(xiàn)有航空電磁探測系統(tǒng)由單架次飛行平臺掛載發(fā)射源和接收傳感器組成。隨著軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，地球物理探測系統(tǒng)的無人化、小型化、一體化和陣列化已成為未來發(fā)展的必然趨勢。然而傳統(tǒng)單機(jī)飛行作業(yè)方式，由于發(fā)射和接收相對位置固定，傳感器測得發(fā)射源激勵(lì)地下電性介質(zhì)產(chǎn)生的異常電磁響應(yīng)信息量有限，難以充分獲取與地下電性結(jié)構(gòu)有關(guān)的電磁響應(yīng)特征，對于復(fù)雜三維地下空間探測，面臨嚴(yán)峻的多解性問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、有鑒于此，為了至少部分地解決上述提及的技術(shù)問題中的至少之一，本公開提供了一種無人機(jī)陣列式航空多分量電場、磁場協(xié)同探測系統(tǒng)及探測方法，旨在通過無人機(jī)陣列平臺和電場、磁場多參量協(xié)同探測系統(tǒng)相結(jié)合，同時(shí)獲取地下電性介質(zhì)的多視角、多參數(shù)電磁響應(yīng)信息，提高針對復(fù)雜地下空間三維目標(biāo)體的探測精度。

2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本公開的技術(shù)方案如下：

3、本公開一個(gè)方面的實(shí)施例，提供一種無人機(jī)陣列式航空多分量電場、磁場協(xié)同探測系統(tǒng)，包括：無人機(jī)陣列、發(fā)射單元、多個(gè)接收單元、以及地面輔助單元；其中，所述無人機(jī)陣列包括一主無人機(jī)和多個(gè)從無人機(jī)；所述發(fā)射單元掛載于所述主無人機(jī)下，并被配置為用于發(fā)射一次電磁場脈沖；所述發(fā)射單元包括回線源發(fā)射裝置，所述回線源發(fā)射裝置包括電流發(fā)射機(jī)、發(fā)射線圈、補(bǔ)償線圈；所述多個(gè)接收單元分別掛載于主無人機(jī)和從無人機(jī)下，并被配置為用于采集一次電磁場脈沖作用于待測區(qū)域后的電磁數(shù)據(jù)，所述電磁數(shù)據(jù)包括水平分量電場信號和三分量磁場信號；每個(gè)接收單元包括電容式電場傳感器、三分量線圈磁場傳感器、以及電磁數(shù)據(jù)接收機(jī)；所述地面輔助單元，被配置為用于控制所述水平分量電場信號和三分量磁場信號的采集，并進(jìn)行電磁數(shù)據(jù)處理得到探測區(qū)域的地下空間電性信息。

4、根據(jù)本公開實(shí)施例，電容式電場傳感器包括x分量電場傳感器，y分量電場傳感器。x分量電場傳感器被構(gòu)造成指向平行于測線行進(jìn)方向，用于測量x分量電場；y分量電場傳感器被構(gòu)造成指向垂直于測線行進(jìn)方向，用于測量y分量電場。

5、根據(jù)本公開實(shí)施例，電容式電場傳感器采用非接觸式測量原理，將未知待測電場轉(zhuǎn)換成電容兩端電壓；電容式電場傳感器布置在測線行進(jìn)方向的連接骨架的前后兩端，電容式電場傳感器包括上極板、下極板、測量電路板、絕緣立柱：上極板和下極板平行設(shè)置構(gòu)成平行板電容器，所述上極板、下極板的材料、面積、厚度均相同；測量電路板的輸入兩端分別連接上極板和下兩極板，測量電路板包括取樣電容；絕緣立柱被構(gòu)造成用于銜接固定上極板、下極板和測量電路板；電容式電場傳感器置于電場空間中，上極板和下極板表面產(chǎn)生的電荷會(huì)在取樣電容兩端形成電壓，通過測量取樣電容兩端電壓，以獲取電場數(shù)據(jù)。

6、根據(jù)本公開實(shí)施例，三分量線圈磁場傳感器包括：x分量磁場傳感器，y分量磁場傳感器，z分量磁場傳感器。x分量磁場傳感器被構(gòu)造為半圓形，且所在平面的法向指向x方向，用于測量x分量磁場；y分量磁場傳感器被構(gòu)造為半圓形，且所在平面的法向指向y方向，用于測量y分量磁場；z分量磁場傳感器被構(gòu)造為圓形，且所在平面的法向指向z方向，用于測量z分量磁場。

7、根據(jù)本公開實(shí)施例，發(fā)射線圈、補(bǔ)償線圈和z分量磁場傳感器被設(shè)置在同一平面，所述發(fā)射線圈和補(bǔ)償線圈的半徑比等于所述發(fā)射線圈和補(bǔ)償線圈的匝數(shù)比。

8、根據(jù)本公開實(shí)施例，電磁數(shù)據(jù)接收機(jī)包括：信號調(diào)理模塊，信號采集模塊，存儲(chǔ)模塊，傳輸模塊。信號調(diào)理模塊被配置為用于對接收到的水平分量電場信號、三分量磁場信號進(jìn)行濾波放大處理；信號采集模塊包括模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，并被配置為用于對信號調(diào)理模塊調(diào)理后信號進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣；存儲(chǔ)模塊被配置為用于存儲(chǔ)信號采集模塊采樣后的多分量電場數(shù)據(jù)和磁場數(shù)據(jù)；傳輸模塊被配置為用于將采集的多分量電場數(shù)據(jù)和磁場數(shù)據(jù)傳輸?shù)捷o助單元；

9、所述地面輔助單元包括：控制裝置，監(jiān)測裝置，數(shù)據(jù)處理裝置?？刂蒲b置被配置為用于協(xié)同探測系統(tǒng)發(fā)送工作控制指令；監(jiān)測裝置被配置為用于對協(xié)同探測系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)狀態(tài)、多分量電場數(shù)據(jù)、磁場數(shù)據(jù)、以及協(xié)同探測系統(tǒng)位置信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；數(shù)據(jù)處理裝置被配置為用于電磁數(shù)據(jù)處理得到探測區(qū)域的地下空間電性信息。

10、根據(jù)本公開實(shí)施例，協(xié)同探測系統(tǒng)還包括定位裝置，雷達(dá)測高儀，供電裝置。定位裝置用于對無人機(jī)陣列進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，得到無人機(jī)陣列中各無人機(jī)的經(jīng)緯度信息；雷達(dá)測高儀用于測量無人機(jī)陣列的飛行高度；供電裝置用于對協(xié)同探測系統(tǒng)進(jìn)行供電。

11、本公開另一方面的實(shí)施例，提供一種基于以上任一項(xiàng)所述的協(xié)同探測系統(tǒng)的探測方法，包括：s1：對協(xié)同探測系統(tǒng)進(jìn)行組裝調(diào)試；s2：依據(jù)測區(qū)實(shí)地情況和用戶探測需求，設(shè)置探測系統(tǒng)參數(shù)和無人機(jī)陣列飛行參數(shù)；s3：按接收到的控制指令，通過中心一次場補(bǔ)償技術(shù)實(shí)現(xiàn)一次電磁場脈沖信號的激發(fā)；s4：對水平分量電場信號和三分量磁場信號數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；以及s5：對獲取的水平分量電場信號和三分量磁場信號數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，并通過電場和磁場數(shù)據(jù)聯(lián)合反演方法得到探測區(qū)域的地下空間電性信息。

12、根據(jù)本公開實(shí)施例，探測系統(tǒng)系統(tǒng)參數(shù)包括電流發(fā)射機(jī)的發(fā)射電流幅度，發(fā)射電流形狀，發(fā)射電流頻率和電磁數(shù)據(jù)接收機(jī)采樣率；所述無人機(jī)陣列飛行參數(shù)包括無人機(jī)陣列編隊(duì)模式、飛行高度，飛行速率和飛行路線。

13、根據(jù)本公開實(shí)施例，通過電場和磁場數(shù)據(jù)聯(lián)合反演方法得到探測區(qū)域的地下空間電性信息包括：s51：設(shè)置初始電阻率模型和模型參數(shù)；s52：利用磁場、電場響應(yīng)正演模型分別計(jì)算初始電阻率模型的磁場響應(yīng)、電場響應(yīng)與探測的磁場響應(yīng)、電場響應(yīng)之間的誤差得到磁場響應(yīng)誤差和電場響應(yīng)誤差；s53：利用電阻率模型構(gòu)建磁場和電場數(shù)據(jù)反演的雅可比矩陣，并分別利用磁場響應(yīng)誤差和電場響應(yīng)誤差計(jì)算磁場數(shù)據(jù)反演的模型更新量以及電場數(shù)據(jù)反演的模型更新量；s54：將模型更新量和模型參數(shù)相加得到更新后的電阻率模型；s55：判斷更新后電阻率模型的正演電場和磁場響應(yīng)數(shù)據(jù)擬合誤差是否小于設(shè)定閾值，并依次確定是否進(jìn)行迭代；以及s56：擬合誤差小于設(shè)定閾值時(shí)終止，擬合誤差大于設(shè)定閾值時(shí)迭代次數(shù)加一，并進(jìn)入s53步驟，此時(shí)電場反演更新的電阻率模型由上一次迭代中磁場反演獲取的模型參數(shù)計(jì)算獲得，磁場反演更新的電阻率模型由上一次迭代中電場反演獲取的模型參數(shù)計(jì)算獲得，直至擬合誤差小于設(shè)定閾值終止迭代。