CN116699708B - 一种低空频率域电磁探测装置及电磁探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于地球物理勘探技术领域，公开一种低空频率域电磁探测装置及电磁探测方法。探测装置的发射线框、接收线框Ⅰ、发射和接收系统及接收线框Ⅱ与支杆间隔连接，支杆与无人机连接；发射和接收系统的正弦波发生模块与发射线框连接，接收线框Ⅰ及Ⅱ与双通道同步数据采集模块连接，双通道同步数据采集模块与主控模块连接，主控模块对正弦波发生模块进行控制并接收高度计、GNSS模块及双通道同步数据采集模块的数据并记录于存储模块中。磁测方法包括设备组装、系数标定、数据采集、归一化二次场计算。从而解决现有装置超重而无法利用无人机开展低空频率域电磁法勘探工作的难题，具有结构简单、轻便、探测精度高及抗干扰能力强的特点。

Description

一种低空频率域电磁探测装置及电磁探测方法

技术领域

本发明属于地球物理勘探技术领域，具体涉及一种结构简单、轻便、数据量小、探测精度高及抗干扰能力强的低空频率域电磁探测装置及电磁探测方法。

背景技术

航空频率域电磁法是利用频率域电磁勘探的原理，将发射线圈与接收线圈置于飞行器上，对埋深100m内的地质体进行识别和判断。航空频率域电磁法的探测效率较高，常用于大面积地下水调查、环境地质调查和工程勘察领域中。

目前，航空频率域电磁法的飞行作业高度一般为30米~50米，应用机制主要分为两步：先由发射机向发射线圈发射出特定频率的电磁波，接收线圈获取到特定频率的感应电动势，由接收机进行数据采集并存储；随后，通过数据处理，获取工作频率的归一化二次场，并求取视电阻率。为了能够获取不同的探测深度，在航空频率域电磁勘探设备中，使用了多组发射和接收系统。由于前述的电磁波发射和接收在距离地面较高时，地质体引起的归一化二次场较弱，为了能够增强归一化二次场的响应，需要大功率发射设备和高精度接收装置，导致现有的航空频率域电磁法勘探设备重达几百公斤。为了降低航空频率域电磁探测系统的重量，如美国Geophex公司基于多频同时发射和接收技术，利用2组接收线圈反接来压制一次场，有效提升了二次场的获取精度，等效实现了多组收发线圈多频工作的效果，进而降低了勘探设备的重量，但其生产的GEM-2A探测系统也重约110kg，仍需要挂载于传统的直升机上才能开展作业。由于使用传统的直升机开展探测工作不仅成本较高，且需要提前进行空域使用报备，因而难以在工程勘察和环境调查领域推广使用。此外，如GEM-2A探测系统为了降低重量而采用了2组不同匝数的接收线圈，但因为2组接收线圈的谐振频率不同，导致了多频工作时的频率选择受限。

近年来，随着多旋翼无人机、遥控飞艇等无人航空器的快速发展，为飞行高度小于10米的低空勘探作业提供了灵活应用的可能。目前，民用多旋翼无人机的载重一般小于30kg，当飞行作业高度小于10米时，虽然对电磁探测装置的发射功率要求降低，但仍要考虑多频同时工作条件下的设备重量问题。而且现有技术中的航空频率域电磁法勘探工作只对原始时间序列数据进行存储，每次工作结束后的数据量较为庞大。例如按24位100kSample/s进行采样，双通道采集1h将产生约2Gb的数据量。如将2Gb的数据上传至云服务器进行存储，不仅需要较长的数据传输时间，同时也占用了较大的存储空间。此外，由于采集的数据量巨大导致传输受限，使得现有的勘探设备只能利用通讯线缆才能进行现场控制，限制了无人化操控的高安全性应用；或者只能根据预设航路进行航测，然后事后下载数据进行分析，不能实现实时航测质量控制。为此，根据现有技术的不足，如何实现频率域电磁勘探装置的轻量化，从而实现工程勘察和环境调查领域的低成本灵活应用，并能保证勘探结果的精度是目前亟待解决的关键技术问题。

发明内容

根据现有技术的不足，本发明提供一种结构简单、轻便、数据量小、探测精度高及抗干扰能力强的低空频率域电磁探测装置，还提供了一种低空频率域电磁探测装置的电磁探测方法。

本发明的低空频率域电磁探测装置是这样实现的：包括支杆Ⅰ、支杆Ⅱ、发射线框、接收线框Ⅰ、发射和接收系统、接收线框Ⅱ，所述支杆Ⅰ和支杆Ⅱ为非磁性刚性杆，所述发射线框、接收线框Ⅰ和接收线框Ⅱ均为矩形框并缠绕有若干匝漆包线，所述接收线框Ⅰ与接收线框Ⅱ的漆包线匝数及直径均相同，所述发射线框、接收线框Ⅰ、发射和接收系统及接收线框Ⅱ沿支杆Ⅰ发射与接收的延伸方向依次分别与支杆Ⅰ及支杆Ⅱ间隔固定连接，所述支杆Ⅰ与支杆Ⅱ组成的框架两侧分别通过非磁性的抗扭绳与无人机连接；

所述设备包括主控模块、存储模块、正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块、双通道同步数据采集模块，所述发射线框与正弦波发生模块信号连接，所述接收线框Ⅰ及接收线框Ⅱ分别与双通道同步数据采集模块信号连接，所述正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块分别与主控模块信号连接，所述主控模块对正弦波发生模块进行控制并接收高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块的数据并记录于存储模块中。

进一步的，所述发射线框、接收线框Ⅰ和/或接收线框Ⅱ设置有非磁性刚性外壳，所述漆包线固定设置于非磁性刚性外壳内；所述接收线框Ⅰ的漆包线匝数是发射线框漆包线匝数的8～12倍。

进一步的，所述发射和接收系统还设置有可调式模拟信号放大模块，所述接收线框Ⅱ与可调式模拟信号放大模块的输入端信号连接，所述可调式模拟信号放大模块的输出端与双通道同步数据采集模块信号连接。

进一步的，所述支杆Ⅰ与支杆Ⅱ相互平行且等长，所述支杆Ⅰ与支杆Ⅱ组成的框架两侧分别通过对称的四条抗扭绳与无人机连接；所述支杆Ⅰ与支杆Ⅱ组成的框架与无人机脚架的间距不小于5m。

进一步的，所述双通道同步数据采集模块包括A/D模数转换模块、MCU数采控制器，所述A/D模数转换模块的输入端分别与接收线框Ⅰ及接收线框Ⅱ信号连接，用于将接收线框的感应电动势模拟信号转换为数字信号；所述MCU数采控制器的输入端及输出端分别与A/D模数转换模块、主控模块信号连接，用于控制A/D模数转换模块且将数字信号数据传输至主控模块。

进一步的，所述主控模块还对接收到的接收线框Ⅰ及接收线框Ⅱ采集的时间序列数据以秒为单位进行快速傅里叶变换转换为工作频率对应的振幅，随后进行归一化二次场PPM计算，并将相同时间GNSS模块采集的位置坐标数据和高度计模块采集的飞行高度数据与归一化二次场PPM数据进行整理，并记录在存储模块中。

进一步的，所述归一化二次场PPM计算是利用公式（15）、公式（16）和公式（17）来计算：

，

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其中：V1为接收线框Ⅰ的感应电动势，V2为接收线框Ⅱ的感应电动势，V21、V22分别为接收线框Ⅱ的一次场及二次场感应电动势，单位为V；n为接收线框Ⅰ与接收线框Ⅱ的标定系数。

本发明的基于低空频率域电磁探测装置的电磁探测方法是这样实现的，包括以下步骤：

A、设备组装：将发射线框、接收线框Ⅰ、发射和接收系统及接收线框Ⅱ依次间隔固定在平行的支杆Ⅰ与支杆Ⅱ之间形成固定框架结构，并将接收线框Ⅰ及接收线框Ⅱ分别与双通道同步数据采集模块信号连接，将正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块分别与主控模块信号连接，随后用多条非磁性的抗扭绳将固定框架结构悬挂在无人机的下方；

B、系数标定：控制无人机起飞至高于接收线框Ⅰ的有效测深能力高度，然后控制正弦波发生模块产生信号并通过发射线框发射，主控模块读取接收线框Ⅰ及接收线框Ⅱ的感应电动势V1、V2，随后计算得到标定系数n=V1/V2，将可调式模拟信号放大模块的放大倍数调整为n；

C、数据采集：控制无人机按照设计的航线执行作业，发射和接收系统的主控模块对正弦波发生模块进行控制并通过发射线框发射电磁波，同步接收高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块的数据，将位置坐标、飞行高度和接收线框Ⅰ及接收线框Ⅱ的感应电动势时间序列数据实时记录在存储模块中；

D、归一化二次场计算：主控模块对接收到的接收线框Ⅰ及接收线框Ⅱ采集的时间序列数据进行快速傅里叶变换转换为工作频率对应的振幅，随后进行归一化二次场PPM计算，将对应时间的GNSS模块采集的位置坐标数据和高度计模块采集的飞行高度数据与归一化二次场PPM数据进行整理，并记录在存储模块中。

进一步的，所述D步骤中，归一化二次场PPM计算是利用公式（15）、公式（16）和公式（17）来计算：

，

，

，

其中：V1为接收线框Ⅰ的感应电动势，V2为接收线框Ⅱ的感应电动势，V21、V22分别为接收线框Ⅱ的一次场及二次场感应电动势，单位为V；n为接收线框Ⅰ与接收线框Ⅱ的标定系数。

进一步的，本发明还包括定性判断步骤，所述定性判断是利用存储模块中记录的位置坐标、飞行高度和PPM数据，对具有电阻率差异的异常地质体进行定性判断：根据飞行高度和PPM数据，利用列线图查找法获取视电阻率，取已记录的连续10s的视电阻率平均值作为背景视电阻率，将高于视电阻率平均值130%时，定性判断为高阻异常地质体；低于视电阻率平均值50%时，定性判断为低阻异常地质体；将高于视电阻率平均值50%至低于视电阻率平均值130%的判断为正常地质体。

本发明的有益效果：

1、本发明基于频率域电磁勘探原理，针对飞行高度小于10米的低空频率域电磁勘探可降低发射功率的实际，提出了易装、卸的框架结构探测装置，大大减轻了勘探设备的重量，使装置能够搭载于民用级多旋翼无人机、遥控飞艇等低空无人飞行器上开展低空频率域电磁法勘探工作，便于在工程勘察和环境调查工作中解决局部人员无法到达区域的勘探难题。

2、本发明创造性的使用尺寸、匝数完全相同的接收线框Ⅰ和接收线框Ⅱ来提取发射线框产生的一次场和地质体激发涡流产生的二次场，并提出了两组接收线框的标定系数n的获取方法，根据n来调节接收线框Ⅱ的模拟信号放大强度，使勘探装置在多频工作时可任意选择工作频率，同时也提升了模拟信号的采样精度，从而保证了勘探结果的精度。

3、本发明的主控模块创造性的以秒为单位，对两个接收线圈接收的感应电动势时间序列数据进行快速傅里叶变换，然后再进行归一化二次场计算，并将相同时间的GNSS位置坐标、距离地面的高度数据与归一化二次场的数据进行整理，从而可将2Gb的时间序列数据缩减为170Kb左右，在显著缩减数据传输量的同时，也降低了存储资源的消耗，而且提升了后期数据处理的计算速度，最终为实现用户对数据采集远程实时控制提供了技术基础。

4、本发明通过采用非磁性的抗扭绳将支杆Ⅰ与支杆Ⅱ组成的框架与无人机连接，可有效减轻乃至杜绝框架在飞行过程中的自旋转，从而可保证航测平台的稳定性，能够有效提高航空探测数据的有效性；特别是将发射线框、接收线框Ⅰ及接收线框Ⅱ的若干匝漆包线设置在非磁性刚性外壳中，非磁性刚性外壳可以起到保护漆包线的作用，而且接收线框Ⅰ与接收线框Ⅱ的漆包线匝数是发射线框的8～12倍，可在提高接收线圈对二次场信号测深能力的同时，较少匝数的发射线框也能兼顾减轻整体重量的作用。特别是使接收线框Ⅱ与发射线框中心距是接收线框Ⅰ与发射线框中心距的至少4倍，可有效减少发射线框的一次场对接收线框Ⅱ接收二次场的干扰，从而可提高接收线框Ⅱ的信号精准度。

综上所述，本发明显著降低了低空频率域电磁探测装置的重量，而且还实现了多频工作可任意选择工作频率，并且还提升了探测精度，整体具有结构简单、轻便、数据量小、探测精度高及抗干扰能力强的特点。

附图说明

图1为本发明的低空频率域电磁探测装置总体结构示意图；

图2为实施例中支杆及其连接结构俯视图；

图3为本发明的低空频率域电磁探测原理图；

图4为图1的发射和接收系统及其连接结构框图；

图中：1-支杆Ⅰ，2-支杆Ⅱ，3-发射线框，4-接收线框Ⅰ，5-发射和接收系统，51-双通道同步数据采集模块，6-接收线框Ⅱ，7-抗扭绳，8-无人机，9-地质体。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变更或改进，均属于本发明的保护范围。

如图1至4所示，本发明的低空频率域电磁探测装置，包括支杆Ⅰ1、支杆Ⅱ2、发射线框3、接收线框Ⅰ4、发射和接收系统5、接收线框Ⅱ6，所述支杆Ⅰ1和支杆Ⅱ2为非磁性刚性杆，所述发射线框3、接收线框Ⅰ4和接收线框Ⅱ6均为矩形框并缠绕有若干匝漆包线，所述接收线框Ⅰ4与接收线框Ⅱ6的漆包线匝数及直径均相同，所述发射线框3、接收线框Ⅰ4、发射和接收系统5及接收线框Ⅱ6沿支杆Ⅰ1的延伸方向依次分别与支杆Ⅰ1及支杆Ⅱ2间隔固定连接，所述支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2组成的框架两侧分别通过非磁性的抗扭绳7与无人机8连接；

所述发射和接收系统5包括主控模块、存储模块、正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块、双通道同步数据采集模块51，所述发射线框3与正弦波发生模块信号连接，所述接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6分别与双通道同步数据采集模块51信号连接，所述正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块51分别与主控模块信号连接，所述主控模块对正弦波发生模块进行控制并接收高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块51的数据并记录于存储模块中。

所述发射线框3、接收线框Ⅰ4和/或接收线框Ⅱ6设置有非磁性刚性外壳，所述漆包线固定设置于非磁性刚性外壳内；所述接收线框Ⅰ4的漆包线匝数是发射线框3漆包线匝数的8～12倍。

所述发射线框3与接收线框Ⅱ6的中心距是发射线框3与接收线框Ⅰ4中心距的至少4倍。

所述双通道同步数据采集模块51包括A/D模数转换模块、MCU数采控制器，所述A/D模数转换模块的输入端分别与接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6信号连接，用于将接收线框的感应电动势模拟信号转换为数字信号；所述MCU数采控制器的输入端及输出端分别与A/D模数转换模块、主控模块信号连接，用于控制A/D模数转换模块且将数字信号数据传输至主控模块。

如图4所示，所述发射和接收系统5还设置有可调式模拟信号放大模块，所述接收线框Ⅱ6与可调式模拟信号放大模块的输入端信号连接，所述可调式模拟信号放大模块的输出端与双通道同步数据采集模块51信号连接。

所述可调式模拟信号放大模块的控制端与主控模块信号连接。

所述支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2相互平行且等长，所述支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2组成的框架两侧分别通过对称的四条抗扭绳7与无人机8连接。

所述支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2为碳纤维圆杆、硬质塑料圆管或非磁性的钛合金管。

所述支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2组成的框架与无人机8脚架的间距不小于5m。

所述主控模块还对接收到的接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6采集的时间序列数据以秒为单位进行快速傅里叶变换转换为工作频率对应的振幅，随后进行归一化二次场PPM计算，并将相同时间GNSS模块采集的位置坐标数据和高度计模块采集的飞行高度数据与归一化二次场PPM数据进行整理，并记录在存储模块中。

所述归一化二次场PPM计算是利用公式（15）、公式（16）和公式（17）来计算：

，

，

，

其中：V1为接收线框Ⅰ4的感应电动势，V2为接收线框Ⅱ6的感应电动势，V21、V22分别为接收线框Ⅱ6的一次场及二次场感应电动势，单位为V；n为接收线框Ⅰ4与接收线框Ⅱ6的标定系数。

所述主控模块对数据进行整理是以秒为单位，将相同时间采集的位置坐标数据、飞行高度数据与相同时间的归一化二次场PPM数据整合，形成一条基于时间的时间数据。

所述无人机8为多旋翼无人机、固定翼无人机或无人飞艇。

所述主控模块为PC、PLC、单板机或工控机。

所述抗扭绳7为非金属绳。

所述正弦波发生模块为可满足电磁探测频率范围的现有任意一种正弦波发生器，所述高度计模块为超声波测距仪，所述GNSS模块为现有的任意一种GNSS天线和GNSS主机，所述双通道同步数据采集模块51为现有的任意一种高精度模数双通道同步数据采集模块。

所述支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2之间还固定设置有供电电池，所述供电电池与发射和接收系统5的供电端连接。

如图1至4所示，本发明的基于低空频率域电磁探测装置的电磁探测方法，包括以下步骤：

A、设备组装：将发射线框3、接收线框Ⅰ4、发射和接收系统5及接收线框Ⅱ6依次间隔固定在平行的支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2之间形成固定框架结构，并将接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6分别与双通道同步数据采集模块51信号连接，将正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块51分别与主控模块信号连接，随后用多条非磁性的抗扭绳7将固定框架结构悬挂在无人机8的下方；

B、系数标定：控制无人机8起飞至高于接收线框Ⅰ4的有效测深能力高度，然后控制正弦波发生模块产生信号并通过发射线框3发射，主控模块读取接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6的感应电动势V1、V2，随后计算得到标定系数n=V1/V2，将可调式模拟信号放大模块的放大倍数调整为n；

C、数据采集：控制无人机8按照设计的航线执行作业，发射和接收系统5的主控模块对正弦波发生模块进行控制并通过发射线框3发射电磁波，同步接收高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块51的数据，将位置坐标、飞行高度和接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6的感应电动势时间序列数据实时记录在存储模块中；

D、归一化二次场计算：主控模块对接收到的接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6采集的时间序列数据进行快速傅里叶变换转换为工作频率对应的振幅，随后进行归一化二次场PPM计算，将对应时间的GNSS模块采集的位置坐标数据和高度计模块采集的飞行高度数据与归一化二次场PPM数据进行整理，并记录在存储模块中。

所述A步骤中，接收线框Ⅱ6与双通道同步数据采集模块51之间设置有可调式模拟信号放大模块，可调式模拟信号放大模块的输入端及输出端分别与接收线框Ⅱ6、双通道同步数据采集模块51信号连接。

所述D步骤中，归一化二次场PPM计算是利用公式（15）、公式（16）和公式（17）来计算：

，

，

，

其中：V1为接收线框Ⅰ4的感应电动势，V2为接收线框Ⅱ6的感应电动势，V21、V22分别为接收线框Ⅱ6的一次场及二次场感应电动势，单位为V；n为接收线框Ⅰ4与接收线框Ⅱ6的标定系数。

本发明还包括定性判断步骤，所述定性判断是利用存储模块中记录的位置坐标、飞行高度和PPM数据，对具有电阻率差异的异常地质体进行定性判断：根据飞行高度和PPM数据，利用列线图查找法获取视电阻率，取已记录的连续10s的视电阻率平均值作为背景视电阻率，将高于视电阻率平均值130%时，定性判断为高阻异常地质体；低于视电阻率平均值50%时，定性判断为低阻异常地质体；将高于视电阻率平均值50%至低于视电阻率平均值130%的判断为正常地质体。

所述数据采集步骤中，正弦波发生模块的发射周期为10²~10⁴Hz；所述接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6的采样频率为正弦波发生模块生成频率的5倍以上；所述高度计模块为超声波测距仪或红外激光测距仪且测量频率大于10Hz。

实施例1

如图1至4所示，航测过程如下：

1、将发射线框3、接收线框Ⅰ4、发射和接收系统5及接收线框Ⅱ6依次间隔固定在平行的支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2之间形成固定框架结构（支杆Ⅰ1与支杆Ⅱ2为外径20mm且长5m的碳纤维圆杆），并将接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6分别与发射和接收系统5的双通道同步数据采集模块51信号连接，同时在接收线框Ⅱ6与双通道同步数据采集模块51之间设置可调式模拟信号放大模块，将正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块51分别与主控模块信号连接，随后用多条非磁性的抗扭绳7将固定框架结构水平悬挂在载重能力大于15kg的农用多旋翼无人机（即无人机8）下方，且使发射线框3与无人机8脚架的间距为5m；其中，发射线框3采用φ1.2mm的漆包线缠绕100匝形成600mm×400mm的框形，接收线框Ⅰ4和接收线框Ⅱ6分别采用φ0.35mm的漆包线缠绕1000匝形成600mm×400mm的框形，然后将各漆包线分别固定在非磁性刚性外壳内。

2、控制多旋翼无人机起飞至高于接收线框Ⅰ4的有效测深能力高度（如大于50米），然后控制正弦波发生模块产生信号并通过发射线框3发射电磁波，主控模块读取接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6的感应电动势V1、V2，随后主控模块自动计算得到标定系数n=V1/V2，然后主控模块将可调式模拟信号放大模块的放大倍数调整为n。

如图3所示，接收线框Ⅰ4的感应电动势读数为V1，包含一次场V11和二次场V12，有：

，

接收线框Ⅱ6的感应电动势读数为V2，包含一次场V21和二次场V22，有：

，

当多旋翼无人机起飞至高于接收线框Ⅰ4的有效测深能力高度时，可忽略二次场的大小，认为接收到的感应电动势中仅包含发射线框产生的一次场。此时：

，

式中n为两组接收线框的标定系数。

3、多旋翼无人机按照设计的航线执行作业，发射和接收系统5的主控模块对正弦波发生模块进行控制并通过发射线框3发射不断变化场强和频率的电磁波，同步接收高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块51的数据，将位置坐标、飞行高度和接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6的感应电动势时间序列数据实时记录在存储模块中。

如图3所示，在低空飞行探测工作中，认为接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6接收到地质体引起的感应电动势近似相等，则：

。

4、主控模块对接收到的接收线框Ⅰ4及接收线框Ⅱ6采集的时间序列数据进行快速傅里叶变换转换为工作频率对应的振幅，随后进行归一化二次场PPM计算，将对应时间的GNSS模块采集的位置坐标数据和高度计模块采集的飞行高度数据与归一化二次场PPM数据进行整理，并记录在存储模块中。其中，归一化二次场PPM计算是利用公式（15）、公式（16）和公式（17）来计算：

，

，

，

其中：V1为接收线框Ⅰ4的感应电动势，V2为接收线框Ⅱ6的感应电动势，V21、V22分别为接收线框Ⅱ6的一次场及二次场感应电动势，单位为V；n为接收线框Ⅰ4与接收线框Ⅱ6的标定系数。

5、航测完成后，通过读取发射和接收系统5的存储模块中数据，利用位置坐标、飞行高度和PPM资料，对具有电阻率差异的异常地质体进行定性判断：根据飞行高度和PPM数据，利用列线图查找法（吴成平,王卫平,胡祥云等.频率域直升机航空电磁法视电阻率转换及应用[J].物探与化探,2009,33(04):427-430+435.）获取视电阻率，取已记录的连续10s的视电阻率平均值作为背景视电阻率，将高于视电阻率平均值130%时，定性判断为高阻异常地质体；低于视电阻率平均值50%时，定性判断为低阻异常地质体；将高于视电阻率平均值50%至低于视电阻率平均值130%的判断为正常地质体。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种低空频率域电磁探测装置，其特征在于包括支杆Ⅰ（1）、支杆Ⅱ（2）、发射线框（3）、接收线框Ⅰ（4）、发射和接收系统（5）、接收线框Ⅱ（6），所述支杆Ⅰ（1）和支杆Ⅱ（2）为非磁性刚性杆，所述发射线框（3）、接收线框Ⅰ（4）和接收线框Ⅱ（6）均为矩形框并缠绕有若干匝漆包线，所述接收线框Ⅰ（4）与接收线框Ⅱ（6）的漆包线匝数及直径均相同，所述发射线框（3）、接收线框Ⅰ（4）、发射和接收系统（5）及接收线框Ⅱ（6）沿支杆Ⅰ（1）的延伸方向依次分别与支杆Ⅰ（1）及支杆Ⅱ（2）间隔固定连接，所述支杆Ⅰ（1）与支杆Ⅱ（2）组成的框架两侧分别通过非磁性的抗扭绳（7）与无人机（8）连接；

所述发射和接收系统（5）包括主控模块、存储模块、正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块、双通道同步数据采集模块（51），所述发射线框（3）与正弦波发生模块信号连接，所述接收线框Ⅰ（4）及接收线框Ⅱ（6）分别与双通道同步数据采集模块（51）信号连接，所述正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块（51）分别与主控模块信号连接，所述主控模块对正弦波发生模块进行控制并接收高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块（51）的数据并记录于存储模块中；

所述发射和接收系统（5）还设置有可调式模拟信号放大模块，所述接收线框Ⅱ（6）与可调式模拟信号放大模块的输入端信号连接，所述可调式模拟信号放大模块的输出端与双通道同步数据采集模块（51）信号连接；

所述双通道同步数据采集模块（51）包括A/D模数转换模块、MCU数采控制器，所述A/D模数转换模块的输入端分别与接收线框Ⅰ（4）及接收线框Ⅱ（6）信号连接，用于将接收线框的感应电动势模拟信号转换为数字信号；所述MCU数采控制器的输入端及输出端分别与A/D模数转换模块、主控模块信号连接，用于控制A/D模数转换模块且将数字信号数据传输至主控模块；

所述发射线框（3）与接收线框Ⅱ（6）的中心距是发射线框（3）与接收线框Ⅰ（4）中心距的至少4倍；

控制无人机（8）起飞至高于接收线框Ⅰ（4）的有效测深能力高度，然后控制正弦波发生模块产生信号并通过发射线框（3）发射电磁波，主控模块读取接收线框Ⅰ（4）及接收线框Ⅱ（6）的感应电动势V1、V2，随后主控模块自动计算得到标定系数n=V1/V2，然后主控模块将可调式模拟信号放大模块的放大倍数调整为n。

2.根据权利要求1所述低空频率域电磁探测装置，其特征在于所述发射线框（3）、接收线框Ⅰ（4）和/或接收线框Ⅱ（6）设置有非磁性刚性外壳，所述漆包线固定设置于非磁性刚性外壳内；所述接收线框Ⅰ（4）的漆包线匝数是发射线框（3）漆包线匝数的8～12倍。

3.根据权利要求1所述低空频率域电磁探测装置，其特征在于所述支杆Ⅰ（1）与支杆Ⅱ（2）相互平行且等长，所述支杆Ⅰ（1）与支杆Ⅱ（2）组成的框架两侧分别通过对称的四条抗扭绳（7）与无人机（8）连接；所述支杆Ⅰ（1）与支杆Ⅱ（2）组成的框架与无人机（8）脚架的间距不小于5m。

4.根据权利要求1所述低空频率域电磁探测装置，其特征在于所述主控模块还对接收到的接收线框Ⅰ（4）及接收线框Ⅱ（6）采集的时间序列数据以秒为单位进行快速傅里叶变换转换为工作频率对应的振幅，随后进行归一化二次场PPM计算，并将相同时间GNSS模块采集的位置坐标数据和高度计模块采集的飞行高度数据与归一化二次场PPM数据进行整理，并记录在存储模块中。

5.根据权利要求4所述低空频率域电磁探测装置，其特征在于所述归一化二次场PPM计算是利用公式（15）、公式（16）和公式（17）来计算：

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其中：V1为接收线框Ⅰ（4）的感应电动势，V2为接收线框Ⅱ（6）的感应电动势，V21、V22分别为接收线框Ⅱ（6）的一次场及二次场感应电动势，单位为V；n为接收线框Ⅰ（4）与接收线框Ⅱ（6）的标定系数。

6.一种基于权利要求1至5任一项所述低空频率域电磁探测装置的电磁探测方法，其特征在于包括以下步骤：

A、设备组装：将发射线框（3）、接收线框Ⅰ（4）、发射和接收系统（5）及接收线框Ⅱ（6）依次间隔固定在平行的支杆Ⅰ（1）与支杆Ⅱ（2）之间形成固定框架结构，并将接收线框Ⅰ（4）及接收线框Ⅱ（6）分别与双通道同步数据采集模块（51）信号连接，将正弦波发生模块、高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块（51）分别与主控模块信号连接，随后用多条非磁性的抗扭绳（7）将固定框架结构悬挂在无人机（8）的下方；

B、系数标定：控制无人机（8）起飞至高于接收线框Ⅰ（4）的有效测深能力高度，然后控制正弦波发生模块产生信号并通过发射线框（3）发射，主控模块读取接收线框Ⅰ（4）及接收线框Ⅱ（6）的感应电动势V1、V2，随后计算得到标定系数n=V1/V2，将可调式模拟信号放大模块的放大倍数调整为n；

C、数据采集：控制无人机（8）按照设计的航线执行作业，设备（5）的主控模块对正弦波发生模块进行控制并通过发射线框（3）发射电磁波，同步接收高度计模块、GNSS模块及双通道同步数据采集模块（51）的数据，将位置坐标、飞行高度和接收线框Ⅰ（4）及接收线框Ⅱ（6）的感应电动势时间序列数据实时记录在存储模块中；

D、归一化二次场计算：主控模块对接收到的接收线框Ⅰ（4）及接收线框Ⅱ（6）采集的时间序列数据进行快速傅里叶变换转换为工作频率对应的振幅，随后进行归一化二次场PPM计算，将GNSS模块采集的位置坐标数据和高度计模块采集的飞行高度数据与归一化二次场PPM数据按时间进行整理，并记录在存储模块中。

7.根据权利要求6所述基于低空频率域电磁探测装置的电磁探测方法，其特征在于所述D步骤中，归一化二次场PPM计算是利用公式（15）、公式（16）和公式（17）来计算：

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其中：V1为接收线框Ⅰ（4）的感应电动势，V2为接收线框Ⅱ（6）的感应电动势，V21、V22分别为接收线框Ⅱ（6）的一次场及二次场感应电动势，单位为V；n为接收线框Ⅰ（4）与接收线框Ⅱ（6）的标定系数。

8.根据权利要求7所述基于低空频率域电磁探测装置的电磁探测方法，其特征在于还包括定性判断步骤，所述定性判断是利用存储模块中记录的位置坐标、飞行高度和PPM数据，对具有电阻率差异的异常地质体进行定性判断：根据飞行高度和PPM数据，利用列线图查找法获取视电阻率，取已记录的连续10s的视电阻率平均值作为背景视电阻率，将高于视电阻率平均值130%时，定性判断为高阻异常地质体；低于视电阻率平均值50%时，定性判断为低阻异常地质体；将高于视电阻率平均值50%至低于视电阻率平均值130%的判断为正常地质体。