为高质量磁测量降低无人机磁噪声

摘要

利用轻型和超轻型无人机(uav)进行磁数据采集，可以有效地解决多种地质和工程任务，包括地质测绘、矿床勘探和管道监测。无人机采集航磁数据的准确性主要取决于电动装置(发动机、伺服等)的偏差噪声。本研究的目标是开发一种高质量磁测量的非磁性无人机平台(NUAP)。考虑到区域和局部磁测参数，固定翼无人机更适合平原地区的地质任务，直升机类型更适合丘陵和山区。一系列轻型固定翼无人机产生的实验磁异常分析以及随后的磁和空气动力学建模表明，NUAP具有搭载在无人机机翼上的原子磁传感器的内燃机的能力，以促进高质量的磁测量。

1.介绍

在过去的十年中，人们尝试了各种使用无人机作为磁力测量平台的方法，就像使用直升机[1]及固定翼飞机[2无人机。根据测量目标、区域和网格配置的特点以及磁异常幅值，论证了不同平台的适用性。无人机磁力测量在生产率、精度和地面飞行高度方面介于传统航磁测量(使用飞机或直升机)和地面磁力测量之间。因此，当航空磁测适用于中小比例尺测图，地面磁测适用于高精度比例尺测图时，无人机在1:5 000 - 1:5万比例尺的地质填图和找矿具有竞争力。通常，这类调查的范围从最初的平方公里到200平方公里不等。与地面测量相比，无人机的优势显然是测量速度快。与此同时，轻型无人机(可达10公斤)不需要传统飞机所必需的特殊基础设施。然而，为了与传统航磁系统和地面系统竞争，无人机应具有相应的测量磁误差特征，对于传统航磁测量，磁误差不超过2 nT。

为了在重量低于10公斤的轻型固定翼无人机基础上创建NUAP，从弹射器起飞，并使用降落伞降落，系列商用无人机“Geoscan-201”(俄罗斯)被选择进行初始试验(图)1）.NUAP的磁噪声应以传感器位置的梯度不超过1 nT/m为特征。以前的研究考虑了几种解决这个问题的可能性[2- - - - - -5］．最流行的方法之一是基于传统航磁测量的磁噪声的被动补偿。该方法的实现包括一个额外的三轴磁通门磁强计，安装在平台磁元件附近，用特殊算法对噪声磁场进行后处理。另一种可能是使用柔性电缆或伸缩杆，使传感器与平台的磁性元件(通常用于直升机)之间的距离最大化。不幸的是，这两种解决方案都很难适用于轻型无人机平台，因为第一种方案增加了足够的重量，而第二种方案使无人机和传感器运动不稳定，导致磁测量的定位额外误差。

本文包括无人机磁场的实验数据，NUAP的磁场和空气动力学数学建模，以及最终的概念和原型的描述。

2.实验

实验的目的是获得无人机磁源在静态和动态状态下的参数，用于数学建模，以获得NUAP的优化设计。无人机“Geoscan-201”组件所产生的静态和动态磁场，已经使用特殊的非磁性支架(120 × 270厘米)和原子标量磁强计mmpos1(俄罗斯)和Geometrics G-858(加拿大)测量(图)2）.为了去除背景磁场，在不使用无人机的情况下，通过10 × 10厘米的网格(图)在观测站上层进行测量2(b))。台地背景磁异常幅值在1 nT/m以下。

2．1．静态实验

静态实验的目的是勾勒出无人机的磁场源及其参数。在研究中，将无人机固定在立地较低的位置，利用关闭的发动机和电子设备对无人机纵向轴的四个方位角(北、西、南、东)测量了10 × 10 cm的规则栅格磁数据。为了获得异常磁场，考虑了地磁变化和背景磁场。分析结果清楚地表明，无人机的机翼末端是最有利的传感器位置(图)3.）.无人机前锥处的磁偏差(图中黄色点)3.)低于35 nT，水平梯度为200 nT/m(图)4)，这使得这个位置不适合磁传感器。无人机机翼末端两点的磁偏差(图中红点和蓝点)3.)低于2nt，水平梯度不超过10nt /m(图)4）.

2．2.动态实验

动态实验的目标是由无人机的电动装置:电动发动机、伺服器和电子设备诱导的可变磁场。“Geoscan 201”使用了Hyperion Z4035-14型电动发动机和titan 85 A重284克的高压电子速度控制器。伺服器采用HS-65MG微金属齿轮，重量为12克。其他电子产品，如GPS，天线和电池，提供非常低的磁噪声。该实验对于评价电机的影响具有重要意义。发动机的转子部分包含以高达30千赫的频率旋转的磁性质量。传感器的工作频率最高为50hz，无法过滤发动机产生的磁噪声。不同发动机在机翼末端的磁场结果如图所示5．发动机运转时所产生的磁噪声平均值相当稳定，不超过3nt(图)5(一),5(b),5(c)5(e))。伺服器的磁噪声不超过1 nT的传感器位置-左侧和右侧无人机机翼(图5(d))。最有趣的是引擎关闭模式下的现场行为(图)5(f))。磁场的突变对应于发动机工作前后电机磁体位置的变化(见图)5(f)由在电机功率模式变化之间接收的数据组成)。因此，电动发动机可以提供振幅超过10 nT的磁噪声。

实验结果表明，在电机功率不同、噪声水平不稳定的情况下，无人机翼端噪声磁场幅值最大为3nt。如此高的值加上无人机磁偏差不允许使用无源磁场补偿的电动发动机。伺服系统也代表了微电动发动机，但它们的操作不会在1米以上的距离产生明显的磁场。

3.磁动力数学模型

对无人机静磁场的分析表明，磁噪声源有5个(图)6)：(1）电机，产生振幅高达800nt的磁异常。（2)两个伺服(左、右)，最高600元。（3)铁磁元件位于无人机前部，最高可达300新台币。

无人机的总磁场可以用多个偶极子场的和表示。因此，对于产生磁场的电气设备，如果距离该设备的距离大于该设备最大尺寸的3倍，则可认为最新的磁场是由点源产生的[6］．偶极子产生的磁场由矢量给出，矢量描述为[7］在哪里偶极子和为从源中心指向测点的矢量。球在一点的磁场是(8］在哪里是一个体积,是中心的深度，为磁化矢量，＝磁矩,是磁化矢量的倾斜度，投影之间的角度是多少在设在和飞机,．使用(2)，即异常磁场等于[8］在哪里是磁倾向,磁方位角是矢量吗,．

电动机可以用一个具有磁矩的偶极子来表示= 0.05厘米²,对于伺服系统= 0.042厘米²对于锋面元素= 0.021厘米²．对于每个偶极子，用公式(3.)和它们的叠加被假定为最终的磁图。得到的磁图与实验数据很接近(图7(a))。计算得到的翼端磁场梯度约为10 nT/m，与观测值相当。如上所述，动态实验表明，无人机与电动发动机不适合进行磁测量。在数学模型中，用燃烧发动机替换一个电动发动机(图7(b)显示出低于1 nT/m的机翼末端磁场水平梯度。然而，内燃发动机的重量为700克，而电动发动机的重量为284克。这一点，加上机翼末端传感器的额外重量(高达200g)，使得无人机“Geoscan-201”因质心移位而不稳定。

采用XFLR5软件计算了装有内燃机和传感器的NUAP的气动数学模型[9］．模型重量为8公斤，巡航速度约为20米/秒。建模结果表明，中心质点的最佳位置位于距前缘900-925 mm处，最佳攻角为5°。

4.结论

空气动力学和磁力模型的建议在NUAP的设计中得到实现(图)8）.NUAP飞行持续时间至少5小时，在20 - 50米高度，20米/秒操作速度。配备1个或2个原子磁传感器的NUAP概念磁测误差预计在2 nT以下，完全有利于1:5000 - 1:50000尺度的磁测。这个概念的优点是(1）没有特殊的前置场工作(不同方位的飞行，通常是8，用于磁偏差研究)，（2)没有附加磁通门磁强计，（3)没有专门的后处理和偏差补偿软件，(4）自主飞行(5小时vs 1.5 - 2电动发动机无人机)。

因此，基于超轻型无人机的NUAP的使用可以充分便利航空磁测，这对于200平方公里以下的区域尤为重要。除了磁强计，NUAP还可以配备多光谱或高光谱相机，这为解决地质和工程任务提供了更广阔的机会。使用开发的概念，Geoscan小组创建了NUAP原型(图9）.

相互竞争的利益

作者声明本论文的发表不存在利益冲突。

致谢

这项研究是由俄罗斯联邦教育和科学部根据第5号协定资助的。14.607.21.0081 (ID。RFMEFI60714X0081)。

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国际地球物理学报

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