阅读说明：本技术 一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统 (Marine aeromagnetic detection system based on vertical take-off and landing fixed wing unmanned aerial vehicle ) 是由 卿昊 刘青松 徐行 熊川云 张文杰 于 2020-05-25 设计创作，主要内容包括：本发明涉及航测采集技术领域,特别涉及一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统,微型航磁探测系统包括：光泵磁力仪探头；光泵磁力仪控制系统,所述光泵磁力仪控制系统与光泵磁力仪探头控制连接,测量发生磁共振吸收现象时的射频线圈频率,通过磁旋比系数计算获得外磁场强度数据；三轴磁通门探头,所述三轴磁通门探头对X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的时变磁场进行测量；GPS天线,激光高度计,获得的高程数据；多数据同步采集及航磁补偿系统,所述多数据同步采集及航磁补偿系统与光泵磁力仪控制系统、三轴磁通门探头、GPS天线和激光高度计连接,所述多数据同步采集及航磁补偿系统还与连接计算机地面站系统连接。(The invention relates to the technical field of aerial survey acquisition, in particular to a marine aeromagnetic detection system based on a vertical take-off and landing fixed wing unmanned aerial vehicle, which comprises: an optical pumping magnetometer probe; the optical pump magnetometer control system is in control connection with the probe of the optical pump magnetometer, measures the frequency of a radio frequency coil when a magnetic resonance absorption phenomenon occurs, and obtains external magnetic field intensity data through calculation of a magnetic rotation ratio coefficient; the three-axis fluxgate probe measures a time-varying magnetic field with mutually orthogonal X-axis, Y-axis and Z-axis directions; the GPS antenna and the laser altimeter obtain elevation data; the multi-data synchronous acquisition and aeromagnetic compensation system is connected with the optical pump magnetometer control system, the three-axis fluxgate probe, the GPS antenna and the laser altimeter and is also connected with the computer ground station system.)

一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统

技术领域

本发明涉及航测采集技术领域，特别涉及一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统。

背景技术

航空磁力探测(简称航磁探测)最早用于海军针对潜艇引起的磁异常进行探测，后用于民用的航空物理勘探工作。伴随着应用技术的成熟，无人机在航磁探测中的应用显著增加，无人机搭载航磁探测设备能够快速部署，高效、高精度的采集数据，开展大比例尺航磁作业不仅能够消除地面地表等干扰物和起伏地形产生的影响，充分节省成本，而且也能够在地质环境和安全标准禁止有人驾驶飞机磁测系统的环境中，可以根据最佳的地形空间来承担探测任务甚至能比载人飞行器航磁系统提供更好质量的探测数据。在陆地上各种不同地质条件下，无人机航磁均取得了一定进展。2009年10月16日，我国第一套无人机陆地航磁探测系统在内蒙古赤峰市敖汉旗贝子府地区进行了首次试飞，并取得了成功。该系统由中科院遥感所牵头，中科院大气物理所、电子所、地质与地球物理所及北京大学现代物理中心等多家单位共同承担[1]。以CH-3无人机为平台的航磁探测系统具有飞行质量高、可夜航作业、方便灵活等特点,该系统已经在黑龙江多宝山地区开展了试验性面积测量工作,数据质量优秀。

依托于2017年国家科技部重点研发计划重大科学仪器设备开发重点专项建设，由上海通用卫星导航有限公司作为总体承担单位，其他七家单位共同参与开发的具有自主知识产权、质量稳定可靠、核心部件国产化的无人机载高精度磁力仪，2019年5月21日，科技部高技术研究发展中心组织中期检查专家在北京对“机载高精度磁力仪”(2017YFF010744)项目进行会议检查，项目进展达到中期检查的要求[3]。

海洋覆盖地球表面70％，是全球物质、能量以及生物循环最为活跃的地方，与人类发展息息相关。同时，海洋又遮掩住海底的地貌构造起伏。因此，如何高效地进行高分辨率海洋探测是当今海洋科学调查技术与方法发展的必然趋势与前沿科学问题。据介绍，海洋地壳含有丰富的磁性矿物，测量海洋上方的磁场异常分布，是研究海底构造和矿产资源分布的有效地球物理手段。传统的海洋磁测包含卫星磁测和船载拖曳式测量两种主要方式。前者分辨率不高，后者的测量效率太低。如何高效地获得高空间分辨率的海洋磁场异常图，极具挑战。

受制于海洋磁测环境，我国海洋无人机航磁探测技术发展总体落后于陆地无人机磁测，目前还没有真正用于船载的无人机航磁探测系统，相关的无人机平台主要依赖陆地起降，难以满足远距离磁测任务。国家海洋局第一海洋研究所2007年依托国家863计划成功申报了“基于无人机的海洋航空磁力探测系统研制”项目。2013年，联合潍坊天翔航空公司，利用V750双座直升机进行无人机改造，加装国产磁力仪及补偿系统完成了400km测线里程的海洋岸线附近地区无人机航空磁测试验。国土资源部航空物探遥感中心在大型飞机的航空磁力测量方面具有丰富的实践经验。2012年，航遥中心开始启动“无人机航磁探测系统的研制与试验”项目，并由西北工业大学第365研究所负责无人机平台的设计和集成工作，目前正计划在沿海地区开展无人机飞行测试。2013年底，海军海洋测绘研究所联合中船重工715所，在天津大港海滨区域开展了基于无人直升机的海洋航磁探测试验，并利用水面无人船进行同步磁力测量作业进行检核验证，提出了基于小型单双坐载人水上飞机进行无人机改造的设想，并成功取得专利。

随着无人机平台技术的逐步成熟，陆地无人机航空磁力测量技术得到迅猛发展，并逐步走向成功应用，基于无人机平台的海洋航空磁力测量也渐渐成为研究的热点，有望成为一种新的海洋磁测技术手段。

但是在现今的远洋海洋调查工作中，无人机海洋航磁探测存在的主要问题有：

1)与陆域环境相比，远洋海域无人机作业环境更为复杂，目前的无人机系统抗风性和可靠性仍然有待提高，远洋调查船无起降跑道，适合的无人机只能是具备垂直起降能力；2)无人机航磁运作是有失事可能性的，以汽油为动力燃料的无人机，如汽油无人机直升机，汽油固定翼无人机在调查船上起降，特别是在调查船上降落失败而可能导致的爆炸、燃烧的事故产生的后果是难以预料的；3)调查船是一个移动平台，供无人机起降空间狭小，如何在高速移动平台上进行准确的无人机起降是一大难点；4)如今主流的光泵磁力仪一般在2kg以上，主流航磁补偿采集仪器(如加拿大RMS公司AARC51)均在2kg左右光泵探头及其他传感器也在2KG以上，航磁探测系统一般总重在5KG级别，能够适配的无人机的体积都较大，小型调查船上进行作业很困难。航空磁测磁力仪，采集补偿装置的小型化是一大难点；5)无人机本体会产生不规则的电磁干扰，需要做好航磁补偿来压制干扰；6)船体强磁干扰对光泵磁力仪工作有影响，光泵磁力仪在起飞前容易失锁导致数据采集错误。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺陷，本发明提供一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统，该无线控制电路可实现多种通讯方式兼容控制LED灯具。

本发明解决现有技术中的问题所采用的技术方案为：一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统，包括微型航磁探测系统，所述微型航磁探测系统包括：

光泵磁力仪探头；

光泵磁力仪控制系统，所述光泵磁力仪控制系统与光泵磁力仪探头控制连接，测量发生磁共振吸收现象时的射频线圈频率，通过磁旋比系数计算获得外磁场强度数据；

三轴磁通门探头，所述三轴磁通门探头对X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的时变磁场进行测量；

GPS天线，获得GPS坐标数据和PPS信号；

激光高度计，获得的高程数据；

多数据同步采集及航磁补偿系统，所述多数据同步采集及航磁补偿系统与光泵磁力仪控制系统、三轴磁通门探头、GPS天线和激光高度计连接，所述多数据同步采集及航磁补偿系统还与连接计算机地面站系统连接。

作为本发明的优选方案，还包括数据存储U盘，所述数据存储U盘与多数据同步采集及航磁补偿系统连接，存储飞行测量数据。

作为本发明的优选方案，还包括飞控数据透传管道，所述飞控数据透传管道分别与多数据同步采集及航磁补偿系统和计算机地面站系统连接，将从多数据同步采集及航磁补偿系统收到的数据透明传输到计算机地面站系统上。

作为本发明的优选方案，所述多数据同步采集及航磁补偿系统还包括24位高速ADC采样板、GPS接收机/PPS信号、9轴惯性测量单元及气压高度计、微型工控机CPU板、ARMLinux嵌入式操作系统和数据实时传输模块，所述数据实时传输模块与数据存储U盘连接。

作为本发明的优选方案，还包括垂直起降固定翼无人机，所述垂直起降固定翼无人机包括中翼，所述中翼两端连接有左机翼和右机翼，在所述左机翼或右机翼上设有光泵磁力仪探头、三轴磁通门探头和频率计，所述中翼上设有吊舱，所述吊舱上设有多数据同步采集及航磁补偿系统，所述多数据同步采集及航磁补偿系统通过线缆与光泵磁力仪探头、三轴磁通门探头和频率计连接，所述多数据同步采集及航磁补偿系统上还设有GPS天线。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明提出的一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统，采用微型化，轻量化设计，所有设备总重量小，并且采用垂直起降固定翼无人机，并以电池为动力，搭载能力高，同时具备移动平台上小空间垂直起降能力、GPS定位与导航能力，与地面实时无线数据传输能力，在5-6级风速下作业能力，航磁补偿机动自动执行能力。

附图说明

图1是本发明一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统的系统框图；

图2是本发明一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统中无人机左机翼的结构图；

图3是本发明一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统中无人机右机翼的结构图；

图4是本发明一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统中无人机中翼的结构图；

图5是本发明一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统中吊舱的结构图之一；

图6是本发明一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统中吊舱的结构图之二；

图7是本发明一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统中航磁探测补偿系统的操作流程图。

图中标号：1、光泵磁力仪探头；2、光泵磁力仪控制系统；3、三轴磁通门探头；4、GPS天线；5、激光高度计；6、多数据同步采集及航磁补偿系统；7、数据存储U盘；8、飞控数据透传管道；9、计算机地面站系统；10、左机翼；11、右机翼；12、中翼；13、吊舱；14、线缆；15、频率计；61、24位高速ADC采样板；62、GPS接收机/PPS信号；63、9轴惯性测量单元及气压高度计；64、微型工控机CPU板；65、ARMLinux嵌入式操作系统；66、数据实时传输模块。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示：一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统，包括微型航磁探测系统，所述微型航磁探测系统包括：

光泵磁力仪探头1，光泵磁力仪探头1是以氦等气体以及碱金属钾、铷、铯等元素的原子在外磁场中产生的塞曼分裂为基础，并采用光泵和磁共振技术研制成的磁力仪。优选地本方案采用了微机电技术实现的芯片级原子铷光泵磁力仪探头1。铷光泵磁力仪探头1主要包含垂直共振腔面射型激光发射器(VCSEL)，准直透镜，格兰泰勒棱镜，1/4圆偏波片，反射镜，磁场抵消加热线圈，微型铷原子气室，感光传感器，柔性射频线圈组成。

光泵磁力仪控制系统2，所述光泵磁力仪控制系统2与光泵磁力仪探头1控制连接，测量发生磁共振吸收现象时的射频线圈频率，通过磁旋比系数计算获得外磁场强度数据，具体地，光泵磁力仪控制器通过嵌入式MCU及一系列电子线路和电子器件控制，VCSEL温度及电流，微型铷原子气室温度，以及柔性射频线圈频率，通过感知感光传感器和频率计15速器，测量发生磁共振吸收现象(称为光泵吸收)时(感光传感器测得光强最暗时)的射频线圈频率，通过磁旋比系数计算获得外磁场强度数据。

三轴磁通门探头3，所述三轴磁通门探头3对X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的时变磁场进行测量，具体地，三轴磁通门是对X轴、Y轴、Z轴方向相互正交的时变磁场进行高精度、低噪音的测量设备，是专业用于地磁勘探测量的精密便携式磁力仪。磁通门输出是模拟输出，磁场分量的大小和电压信号相关，将磁通门磁力仪测量的三分量做平方和开根号可得总场数值。

GPS天线4，获得GPS坐标数据和PPS信号，GPS天线4采用无磁性安装的GPS+北斗双频有源天线，将GPS/北斗导航系统型号发送到位于数据采集及矫正补偿装置内的GPS接收机62内，结算获得GPS坐标数据和Pulse Per Second(PPS)信号。

激光高度计5，获得的高程数据，具体地，激光高度计5是安装在无人机、卫星等测试平台上实现远距离非接触测量高程的仪器。它主要激光发射模块、激光接收模块和数据处理模块三部分组成.激光高度计5获得的高程数据可用于不同高度获得磁场数值的延拓计算。

多数据同步采集及航磁补偿系统6，所述多数据同步采集及航磁补偿系统6与光泵磁力仪控制系统2、三轴磁通门探头3、GPS天线4和激光高度计5连接，所述多数据同步采集及航磁补偿系统6还与连接计算机地面站系统9连接，具体地，系统硬件采用ARM嵌入式系统，结合高速ADC采样模块以及GPS接收机62。软件平台基于嵌入式实时Linux操作系统，开发了多数据同步采集及航磁补偿软件系统，实现了光泵磁力仪总场数据采集，三轴磁通门数据实时采集和转换计算，采用算法，提高高速ADC采样数据的精度和数据实时输出。通过PPS信号，将GPS接收机62输出数据，三轴磁通门数据,9轴惯性测量单元数据串联结合后，对数据进行实时输出和存储。通过预先存储系数，对光泵磁总场采用18参数航磁补偿算法，对磁通门采用12参数数字矫正补偿算法，可对光泵磁总场和磁通门磁力仪输出的三份量磁场角度计算出的高精度磁三份量磁场进行实时输出和存储。

优选地，还包括数据存储U盘7，所述数据存储U盘7与多数据同步采集及航磁补偿系统6连接，存储飞行测量数据，具体地，数据存储U盘7将每次运行期间的飞行测量的数据存储于文件内。数据包括GPS UTC时间，经纬度坐标，GPS高度，WGS84 UTM坐标，UTM zone，有效GPS卫星个数，GPS信号质量，GPS坐标水平精度，GPS坐标系起伏信息，9轴惯性测量单元翻滚，俯仰，偏航角度数据，三轴磁通门X，Y，Z轴及总场原始数据，矫正补偿后的三轴磁通门X，Y，Z轴，光泵磁力仪总场数据，光泵磁力仪锁定指示和光泵信号强度以及补偿后光泵磁力仪总场数据。

优选地，还包括飞控数据透传管道8，所述飞控数据透传管道8分别与多数据同步采集及航磁补偿系统6和计算机地面站系统9连接，将从多数据同步采集及航磁补偿系统6收到的数据透明传输到计算机地面站系统9上，具体地，飞控数据透传管道8将从多数据同步采集及航磁补偿系统6收到的数据透明传输到航磁地面站。

由于船体强磁干扰对光泵磁力仪工作有影响，光泵磁力仪在起飞前容易失锁导致数据采集错误。在起飞后，航磁地面站命令也需要通过该管道上传到多数据同步采集及航磁补偿系统6，重置铷光泵，重新锁定磁场。

计算机地面站系统9采用Windows强固式平板或者适合野外作业的Windows笔记本，通过无线/有线数据实时传输模块66与数据采集及矫正补偿装置连接。通过自研航磁数据记录处理软件，将参数计算需用到的飞行后数据导入到软件中，清理无效数据，对有效数据进行数据分析，通过本软件进行参数计算以获得光泵航磁补偿18参数及磁通门12个修正参数。将获得的参数通过无线/有线数据实时传输模块66写入到数据采集及矫正补偿装置，对之后航磁调查作业的数据进行实时矫正补偿。

优选地，所述多数据同步采集及航磁补偿系统6还包括24位高速ADC采样板61、GPS接收机62/PPS信号、9轴惯性测量单元及气压高度计63、微型工控机CPU板64、ARM Linux嵌入式操作系统和数据实时传输模块66，所述数据实时传输模块66与数据存储U盘7连接；具体地，24位高速ADC采样板61由TI公司ADS1256芯片为核心制作的高速ADC采样模块将磁通门输出电压转换为数字信息，经过SPI接口传输到ARMLinux嵌入式操作系统；GPS采用小型UBlox GPS M8N模块，接收GPS/北斗系统信号对经纬高度信息进行计算，结果实时通过UART接口传输到ARM Linux嵌入式操作系统。UBlox GPS M8N模块PPS信号经过GPIO接口传输到ARM Linux嵌入式操作系统，系统总采样通过PPS信号进行同步，保证所有数据的实时和一致有效性；9轴惯性测量单元及气压高度计63采用MEMS九轴加速度计陀螺仪姿态倾角角度测量传感器，集成了高精度的三轴陀螺仪，三轴加速度计，三轴欧拉角，三轴磁场；气压高度计，采用高性能的微处理器和先进的动力学解算与卡尔曼动态滤波算法；微型工控机CPU板64为卡片式电脑，配置为4核ARM Cortex-A53,1.2GHz CPU，1GB内存，4USB口，MicroSD卡插槽，千兆以太网及802.11ac无线网卡，5V供电；Arm Linux嵌入式操作系统作为底层系统软件平台，及相应的配置文件，通过驱动利用SPI接口，GPIO接口，UART接口，USB接口，以太网口接口获得数据，支撑自行研发的多数据同步采集及航磁补偿系统6软件的运行；数据实时传输模块66采用USB转串口传输模块实时将航磁数据传送发送到飞控串口，飞行阶段数据存储于数据存储U盘7内

优选地，还包括垂直起降固定翼无人机，在本实施例中，采用成都纵横大鹏无人机科技有限公司CW-15移动起降舰载版垂直起降固定翼无人机作为航磁探测无人机平台，所述垂直起降固定翼无人机包括中翼12，所述中翼12两端连接有左机翼10和右机翼11，在所述左机翼10或右机翼11上设有光泵磁力仪探头1、三轴磁通门探头3和频率计15，所述中翼12上设有吊舱13，所述吊舱13上设有多数据同步采集及航磁补偿系统6，所述多数据同步采集及航磁补偿系统6通过线缆14与光泵磁力仪探头1、三轴磁通门探头3和频率计15连接，所述多数据同步采集及航磁补偿系统6上还设有GPS天线4。

具体地，在右机翼11翼尖开槽，三轴磁通门探头3安装于右机翼11前端机翼底部槽内，外部安装整流罩，三轴磁通门探头3与多数据同步采集及航磁补偿系统6(航磁主机)之间线缆14固定于机翼内；

在左机翼10翼尖开槽，光泵磁力仪探头1安装于左机翼10前端机翼底部槽内，外部安装整流罩，探头和频率计15的连接排线不易拆装，为便于安装，光泵磁力仪探头1与频率计15的连接排线贴于机翼外底部，在左机翼10与机身连接的侧面开槽，将频率计15插入进此槽中；

连接多数据同步采集及航磁补偿系统6(航磁主机)和频率计15的USB线缆14固定于中左翼内的，通过中翼12过线孔，从吊舱13尾椎孔穿过接入航磁主机；三轴磁通门探头3与航磁主机连接线分为两段，中间通过航空接插件连接，线缆14固定于中翼12右翼内，通过中翼12过线孔，从吊舱13尾椎孔穿过接入航磁主机；

GPS天线4安装在吊舱13尾椎一侧，避免GPS信号被机身和尾杆遮挡，连接线从吊舱13尾椎孔穿过接入航磁主机。

进一步地，航磁探测补偿系统操作流程包括

由于飞行器材料和原器件或多或少都有弱磁性。飞行中发动机转子运动产生的磁场，以及飞机内航电系统通电后产生的感应磁场都会对磁力仪造成干扰。为了让飞行器能搭载磁力仪并获得有效数据，本专利采用业界通用航磁补偿模型和算法(见公式1)，将与飞机机动有关的飞机磁场包括有恒定磁场Hp(Permanent field)、感应磁场Hi(Inducedfield)和涡流磁场He(Eddy-current field)计算出来以去除。恒定磁场是指飞机上的磁性零部件和铁磁性材料剩磁所产生。感应磁场主要是由无人机体上的软磁性材料在地磁场中被磁化而产生的，该磁场的大小与引起它的外加磁场成正比，因此在三轴磁通门传感器坐标系下，感应磁场的大小与方向将随着无人机的姿态变化而变化。涡流磁场是机体飞行中切割地磁场而产生的，其各分量与投影到各坐标轴上的地磁场变化率成正比。

业界主要通用航磁补偿模型表达为理论公式如下：

HT c1 cos X c2 cosY c3 cos Z He{c4 cos 2X c5 cos X cosY c6 cos X cosZ c7 cos2 Y c8 cosY cos Z c9 cos 2Z}He{c10 cos X(cos X)

c11 cos X(cosY)c12 cos X(cos Z)c13 cosY(cos X)c14 cosY(cosY)c15 cosY(cos Z)c16 cos Z(cos X)c17 cos Z(cosY)c18 cos Z(cos Z)}

HT指干扰磁总场，He指地球磁场，(cosX,cosY,cosZ)是与飞行器位置固定的三轴磁通门的三份量对应其轴向的方向余弦，()’指投影到各坐标轴磁场方向余弦的变化率。c1-c18是估计出来的18个参数。其中c1-c3与恒定磁场干扰Hp有关，c4-c9与感应磁场干扰Hi有关，c9-c18与涡流磁场干扰He有关。

磁力仪与飞行器采用硬连接方案，需要使用三轴磁通门磁力仪来记录飞行姿态。

垂起固定翼无人机航磁探测系统磁补偿作业流程，要求在获得补偿系数时，做四边机动飞行以收集数据。要求在500米以上离地的高空，对南北东西四个航向上，进行包括3个俯仰(±5度)、3个滚动(±10度)和3个偏航(±5度)的机动，每种机动间隔2秒，为配合滤波器参数，每种机动时间不超过5秒。高空四边带机动飞行以获得光泵磁力仪总场和三轴磁通门矢量磁场数据生成的方向余弦参数，通过滤波和解线性方程来获得补偿估计18个参数，再以该系列估计参数对实际工作测量中的数据进行补偿计算，以去除飞行器对光泵磁力仪产生的磁干扰。对磁通门数据采用12参数数字矫正补偿算法。可对光泵磁总场和磁通门磁力仪输出的三份量磁场角度计算出的高精度磁三份量磁场进行实时输出和存储。

与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

本发明提出的一种基于垂直起降固定翼无人机的海洋航磁探测系统，采用微型化，轻量化设计，所有设备总重量小，并且采用垂直起降固定翼无人机，并以电池为动力，搭载能力高，同时具备移动平台上小空间垂直起降能力、GPS定位与导航能力，与地面实时无线数据传输能力，在5-6级风速下作业能力，航磁补偿机动自动执行能力。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。