Способ аэроэлектроразведки с применением легкого беспилотного летательного аппарата
AEROELECTRIC PROSPECTING METHOD USING LIGHTWEIGHT UNMANNED AERIAL VEHICLE

Изобретение относится к области геофизики и дистанционных зондирований Земли и может быть использовано для геологического картирования, поисков и разведки месторождений полезных ископаемых.
Группа методов электроразведки основана на возбуждении в геологической среде электромагнитного поля от источника с известными характеристиками (генератор) и последующем измерении «отклика» геологической среды, который зависит от наличия под точкой измерений геологических объектов и/или структур с повышенной или пониженной проводимостью, поляризуемостью и иными геоэлектрическими характеристиками. По разности геоэлектрических свойств горных пород на изучаемой площади строятся геофизические карты и планы (сопротивлений, поляризуемости, иных параметров), производится решение «обратной задачи» геофизики - расчета размера и местоположения аномалеобразующих объектов, производится интерпретация данных в геологические разрезы и трехмерные модели геологической среды. С позиций способа измерения геоэлектрических характеристик геологической среды можно выделить две группы методов:
- методы с гальваническим заземлением (в землю вбиваются питающие и измерительные электроды, на питающие с помощью электроразведочного генератора подается ток с известными характеристиками, а с помощью измерительных измеряется сопротивление горных пород между ними);
- индуктивные методы, в которых источник (далее генератор) индуктивного тока создает первичное электрическое поле, при этом используются незаземленные линии, петли или рамочные антенны. При наличии проводящих тел (например, сульфидных минералов) под действием первичного поля в проводящих включениях геологической среды индуцируются вихревые токи, создающие вторичные аномальные поля. Наводимая в петле вторичная электродвижущая сила пропорциональна проводимости среды. Производится измерение различных электрических и магнитных компонент вторичного, индуцированного поля, характер которого зависит от геоэлектрических свойств геологической среды. Поскольку параметры исходного поля известны, по результатам таких измерений возможно восстановить искомые параметры геологической среды. (http://www.mining-enc.ru/a/aeroelektrorazvedka, дата просмотра 27.12.2019 г.).
Вторая группа методов не требует непосредственного контакта генератора и измерителя с горными породами, в связи с чем может быть реализован как в наземном, когда измерительные и питающие компоненты электроразведочных систем перемещают по площади работ операторы, так и в более производительном аэроварианте.
В настоящее время все большее внимание уделяется разработке способов аэроэлектроразведки.
Известны способы выполнения аэроэлектроразведки комплексами на базе самолетов и вертолетов. Распространены и широко используются такие комплексы, как Geotech VTEM, ZTEM (geotech.ca>vtem), российские комплексы «Экватор» и другие подобные, реализующие методы зондирований становлением поля и методы переходных процессов (ЗСБ и МПП, в англоязычной литературе - TDEM). Принципиальным их сходством является установка на воздушное судно как генератора электромагнитного поля, так и измерителя, соответственно как генераторной, так и измерительной петли. В этом случае генератор с заданными параметрами работает в импульсном режиме, с определенной периодичностью создает в геологической среде поле с известными характеристиками. Измеритель фиксирует «отклик» от геологической среды (например, процесс становления или затухания поля в среде), по характеру которого, имея информацию об источнике поля, можно установить геоэлектрические характеристики среды в точке измерений. Недостатками такого способа аэроэлектроразведки являются высокие затраты на мобилизацию воздушного судна, что экономически оправдано только при выполнении больших (от сотен квадратных километров) объемов съемки; необходимость наличия инфраструктуры (аэродромов) в относительной близости от района работ; сложность или невозможность работы в условиях сильно пересеченного рельефа, в том числе опасность полетов на низкой высоте и с обтеканием рельефа; невозможность точного обтекания сильно пересеченного рельефа, что приводит к усложнению инверсии данных. Высокая скорость полета и, соответственно, относительно низкая плотность сетей измерений или малое время на выполнение измерений, сложность стабилизации измерительной системы снижают детальность и точность съемки. Известно, что информативность геофизических съемок напрямую зависит от высоты съемки - чем ниже измерения, тем более мелкие аномалии можно обнаружить и закартировать. В горных районах, указанными выше комплексами для аэроразведки, приходится весть съемку не по регулярной сети профилей и пикетов, покрывающей всю территорию с заданным шагом между точками измерения, а по криволинейным маршрутам, проходящим по горизонталям рельефа, что снижает качество результата. Также в этих традиционных методах невозможно произвести зависание летательного аппарата для накопления статистической представительности измерений в точке, что также снижает точность съемки.
В настоящее время геологоразведка развивается по вектору перехода на геологическое изучение отдельных участков площадью в десятки или первые сотни квадратных километров, которые зачастую локализованы в удаленных от инфраструктуры районах со сложным рельефом, что делает традиционную аэроэлектроразведку нерентабельной или невозможной. Поскольку в настоящее время необходим прирост минерально-сырьевой базы за счет открытия новых объектов, разработка новых, более эффективных способов и усовершенствование существующих способов аэроэлектроразведки является актуальной задачей.
К числу методов с наземным источником поля относится так называемый метод длинного кабеля, в котором электромагнитное поле, меняющееся с частотой 102-103 Гц, возбуждается переменным током, пропускаемым по кабелю (длина до 20 км), заземленному на концах. Приемник поля - многовитковая рамка - буксируется с помощью трос-кабеля на расстоянии 30-60 м от самолета на высоте 40-70 м от земной поверхности. Амплитуда и фаза магнитного поля кабеля измеряются вдоль профилей, расположенных перпендикулярно ему. В различных вариантах могут измеряться и сравниваются амплитуды и фазы вертикальной или горизонтальной компоненты индуцированного и первичного магнитных полей. Тело повышенной проводимости вызывает аномалию. Вдоль каждого профиля строятся графики этих параметров (http://www.mining-enc.ru/a/aeroelektrorazvedka, дата просмотра 27.12.2019 г.).
Данный метод используется при геологическом изучении районов с относительно простым рельефом, хотя и в этом случае при полетах на необходимых высотах порядка 50 метров происходили случаи аварий и гибели людей (http://www.gff-lgi.spb.ru/bibl-rybin-2.htm, дата просмотра 27.12.2019 г.). Существенным недостатком метода является необходимость протяжки длинной питающей линии на или вблизи площади работ. Поэтому данный способ невозможно использовать в условиях сложной проходимости рельефа или ландшафта. Кроме того, данный способ имеет недостаточно высокую детальность, информативность и точность. Еще одним недостатком данного способа является высокая стоимость съемки.
Также известны способы аэроэлектроразведки - метод "радиокип" (А.Г. Тархов « Основы геофизической разведки методом радиокип». 1961, 216 с.) и (сверхдлинноволновой радиокип) «СДВР», (http://www.georus.ru/dictionarv/doc_862.html, дата просмотра 27.12.2019 г.). В этом случае источником первичного электромагнитного поля в геологической среде являются длинноволновые или средневолновые широковещательные радиостанции, системы дальней навигации или специализированные устройства того же типа, вещающие на частотах от первых килогерц (сверхдлинные волны - СДВР) до сотен килогерц (длинные волны - радиокип). Радиоволны, проходящие вдоль поверхности земли, представляют собой электромагнитное поле, которое проникает в геологическую среду. Сверхдлинные волны хорошо дифрагируют вокруг поверхности Земли, что обусловливает возможность выполнения измерений при удалении от радиостанции - генератора на расстояние до тысяч километров. Измерения в методах радиоволнового профилирования производятся «в дальней зоне источника», что позволяет использовать простую модель первичного поля в виде плоской волны. В тех частях земной коры, которые характеризуются повышенной проводимостью, например, вмещают рудные тела с сульфидной минерализацией, возникают индукционные токи, вызывающие вторичное магнитное поле. С помощью аппаратуры, установленной на самолете или вертолете, измеряется величина магнитной и в ряде случаев электрической компоненты поля (их вертикальных и горизонтальных составляющих).
Недостатками метода являются недостаточно высокая детальность, информативность и точность съемки, высокие затраты на выполнение съемки. Кроме того, поскольку в способе используются в качестве летательных аппаратов самолет или вертолет, это делает способ менее доступным для широкого использования и менее экологичным, т.к. для его осуществления требуется строительство полевых аэродромов и используются горюче-смазочные материалы.
Техническим результатом изобретения является повышение детальности, информативности и точности съемки, снижение стоимости, повышение доступности и экологичности съемки.
Технический результат достигается тем, что в качестве летательного аппарата используется беспилотный летательный аппарат (БПЛА) гражданского легкого класса (до 30 кг), на который установлен только электроразведочный измеритель (измерительная система), а генераторная установка находится не на воздушном судне, а на земле. Электроразведочный измеритель на БПЛА оснащен магнитными и электрическими антеннами. При этом съемка производится при движении БПЛА на автопилоте по предварительно подготовленному и соответствующему постоянной высоте над рельефом (от 3 метров) полетному заданию, скорость движения БПЛА может изменяться от 0 (зависание) до 20 м/с, измерения геоэлектрических параметров производятся с помощью ориентированных на измерение вертикальных и/или горизонтальных компонент электромагнитного поля антенн в автоматическом режиме непрерывно или через установленные интервалы времени, пространственная привязка точек измерений осуществляется средствами спутниковой навигационной системы и инерциальной системы БПЛА и (опционально) лазерного высотомера. В зависимости от геометрии генераторной и измерительной систем, БПЛА с измерителем может выполнять съемку на некотором расстоянии от источника поля, в пределах от сотен метров - первых километров в варианте с источником поля - питающей линией или петлей, до дистанций в тысячи километров, когда источником поля в геологической среде выступают поля систем дальней навигации и радиосвязи, которые можно считать источником плоской поляризованной волны. При этом, съемка выполняется с остановками воздушного судна на точках измерений, что позволяет повысить статистическую представительность измерений на точке, а также более точно стабилизировать приемный контур по параметру угла наклона к горизонту. Кроме того, измерительные рамки или антенны (измеритель) установлены на гиростабилизированном подвесе, что позволяет сохранять их постоянную пространственную ориентацию вне зависимости от кренов или поворотов воздушного судна.
В качестве БПЛА применяется мультироторный беспилотный летательный аппарат или аэростат. Использование БПЛА при проведении съемки обеспечивает возможность полета с любыми скоростями, точное пилотирование на постоянной высоте над рельефом, возможность зависания при проведении измерения. БПЛА удерживает постоянную высоту над землей в точках измерений с помощью устройства-высотомера. Для повышения пространственной точности привязки результатов измерений используется система кинематики реального времени, либо дифференциальные поправки вносятся на этапе постобработки.
После завершения измерений производится стандартная обработка данных электроразведки с целью получения планов и разрезов электросопротивлений или отдельных параметров поля (вызванной поляризации, амплитуд вертикальных или горизонтальных компонент поля, фазовых сдвигов, параметров эллипса поляризации).
В настоящее время нет способов аэроэлектроразведки, при которой бы использовался БПЛА легкого класса, при этом съемку осуществляли (полеты производили) по заранее созданному и согласованному с рельефом местности полетному заданию на низкой высоте, была бы реализована возможность зависания для записи серии измерений на конкретной точке, повышена точность позиционирования БПЛА и измерительного контура, при этом источник электромагнитного поля не находился бы на воздушном судне.
Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критерию изобретения «новизна».
Проведенный анализ патентной и научно-технической литературы показал, что предлагаемый способ отличается не только от прототипа, но и от других решений в данной и смежных областях. Так автором не найдены способы электроразведки, которые включали бы предлагаемые режимы. А именно предлагаемые режимы позволяют достичь заявленный технический результат - повысить детальность, информативность и точность съемки, сократить затраты на выполнение съемки, повысить доступность и экологичность съемки.
Так, применение БПЛА легкого класса, на который крепится измерительная система, обеспечивает наилучшую точность пилотирования в условиях сложного рельефа, возможность вертикально взлетать и садиться с небольших площадок, возможность складывания для переноски, небольшую собственную массу и значительную массу полезной нагрузки, что снижает затраты на мобилизацию и логистику, упрощает применение разработанного способа в удаленных от инфраструктуры районах по сравнению с традиционными аэро и наземными методами. Кроме того, легкие БПЛА попадают под упрощенный порядок эксплуатации, что делает способ еще более доступным. Электрическое питание по сравнению с двигателями внутреннего сгорания снижает помехи на измерительный контур и позволяет при необходимости отказаться от использования выносных гондол, не обеспечивающих высокую точность позиционирования измерительной системы и снижающих точность геофизических измерений за счет невозможности полной стабилизации в горизонтальной и вертикальной плоскости. Также мультироторный БПЛА эффективно борется с ветром, что обеспечивает получение данных по геометрически правильным сетям даже в неблагоприятных погодных условиях. Кроме того, использование в предлагаемом способе легкого БПЛА с электродвигателями позволяет повысить экологичность работ, т.к. сокращаются объемы потребления ГСМ и выбросы в атмосферу, а также повышает доступности аэроэлектроразведки для работ на отдельных лицензионных участках, когда традиционная аэрогеофизика нерентабельна.
Использованная в предлагаемом способе измеритель (измерительная система) обеспечивает
- получение и последующее картирование параметров горизонтальных и вертикальных компонент магнитной и (опционально) электрической составляющей электромагнитного поля в варианте с генератором -радиостанцией, а также генераторной группой с бесконечно длинным кабелем или петлей, причем для частот в диапазоне от первых килогерц до 10-20 кГц может использоваться не только унифицированный регистратор, но и одни и те же антенны;
- запись кривых становления и затухания вторичной ЭДС - с источником - кабелем или петлей.
В первом случае картируются отдельные компоненты или (если используются более 1-ой антенны) путем быстрых преобразований Фурье через отношение спектральных амплитуд взаимно перпендикулярных компонент поля рассчитывается кажущееся электрическое сопротивление горных пород под точкой измерений, причем если радиостанция - генератор вещает на нескольких частотах становится возможным построение геофизических разрезов (от частоты зависит глубинность измерений, несколько частот - измерения сопротивления слоя пород на различную глубину).
Во втором случае результаты измерений обрабатываются любыми стандартными программными комплексами для импульсной электроразведки.
В предлагаемом способе измерительная система целиком или ее приемные контуры присоединены к раме БПЛА с использованием вибро-развязывающих устройств (например, резиновые кольца, эластичные прокладки и т.п.), или находится на подвесе под БПЛА, снабженным собственным GNSS-приемником и инерциальной системой для точного позиционирования измерительной системы, и/или находится на гиростабилизированном подвесе, что также повышает качество получаемых данных, т.к. регистрирующие системы очень чувствительны к наклону и вибрации.
При выполнении съемки по предлагаемому способу используется мультироторный или аэростатически разгруженный БПЛА, который имеет возможность по команде оператора со станции управления через радиомодем или в соответствии с полетным заданием зависнуть на точке измерений. Классические аэрометоды не имеют такой возможности, в связи с чем ограничены по частоте измерений и связанной с этим глубинностью.
Предлагаемый способ включает предварительное построение цифровой модели местности и создание на ее основе полетных заданий, включающих не только угловые точки маршрутов, полет между которыми выполняется по прямой, а состоящих из большого массива точек с указанными для каждой точки высотами и режимом прохождения, что позволяет выполнять полет и измерения на постоянной высоте над рельефом даже в условиях сильно пересеченной местности, а также возможность зависания на этих точках позволяет повысить точность, информативность, детальность данных и глубинность зондирований. Традиционная аэросъемка в горных районах ведется криволинейными маршрутами по горизонталям рельефа, в связи с чем в принципе не позволяет получать регулярные данные высокой детальности.
Допускается вариант с использованием лазерного высотомера, поддерживающего серии отражений и позволяющего автопилоту удерживать истинную высоту над землей, а не растительностью.
Таким образом, БПЛА обеспечивает широкий диапазон скоростей и высот полета в зависимости от задачи и масштаба съемки. При этом скорость полета БПЛА в любом случае в разы выше скорости оператора при выполнении наземной съемки, особенно в условиях сложного рельефа, что повышает производительность по сравнению с традиционной наземной съемкой. Более низкая скорость полета БПЛА легкого класса по сравнению с традиционной авиацией (вертолетами и самолетами), возможность безопасного снижения высоты также позволяют повысить точность, информативность и детальность данных.
Предлагаемый способ может быть использован при выполнении поисковых, оценочных, разведочных и научно-исследовательских геологических работ, при геологическом картировании.
Таким образом, предлагаемое техническое решение соответствует критериям «изобретательский уровень» и «промышленная применимость».
Способ осуществляется следующим образом:
Выполняется подготовка географически привязанной цифровой модели изучаемой местности средствами любых информационных технологий на основе картографической информации, соответствующей выполняемой съемке по масштабу.
Средствами геоинформационных технологий, или специального программного обеспечения, совместимого с полетным контроллером БПЛА, осуществляется подготовка полетного задания, представляющего особой массив точек, находящихся на постоянной высоте над землей, с установленными режимами и скоростями прохождения БПЛА каждой точки. Точки полетного задания формируют регулярную сеть профилей и пикетов съемки.
Производится съемка: полетное задание загружается в полетный контроллер БПЛА и под его управлением БПЛА осуществляет взлет и движение на автопилоте. Генераторная система (удаленная или установленная на площади) создает электромагнитное поле, вызывающее вторичную электродвижущую силу в геологической среде. Установленный на БПЛА электроразведочный измеритель (измерительная система) в постоянном режиме осуществляет запись сигналов с одной или нескольких магнитных и электрических антенн, которые ориентированы для измерения вертикальных и горизонтальных компонент электромагнитного поля, параллельно фиксируются координаты и точное спутниковое время. Если генератор сопряжен с заземленной «бесконечно длинной» линией или незаземленной петлей или рамкой, работает в импульсном режиме, измерителем осуществляется запись кривой становлений и спада вторичной электродвижущей силы (ЭДС). Если генератор сопряжен с заземленной «бесконечно длинной» линией или незаземленной петлей или рамочной антенной и создает переменное поле на частоте из диапазона от первых десятков Гц до первых десятков кГц (в зависимости от геологической ситуации и задачи), измерителем осуществляется запись амплитудных и фазовых значений электрических и магнитных составляющих электромагнитного поля с помощью нескольких магнитных и (опционально) электрических антенн, ориентированных для измерения вертикальных и горизонтальных компонент. Если генератор - радиостанция, вещающая на нескольких частотах в диапазоне от 1 до 300 кГц, регистратором осуществляет запись по нескольким каналам результатов измерений с одной, двух или трех магнитных и (опционально) электрической антенны, ориентированных для измерений вертикальной (1 магнитная антенна) и вертикальной и горизонтальных компонент поля (более 1 антенны).
После завершения полетного задания БПЛА возвращается на автопилоте на точку взлета. Оператор имеет возможность в любой момент забрать управление БПЛА на себя и при необходимости выполнить часть маршрута или маневр вручную.
Производится импорт измеренных данных из памяти измерителя и при необходимости их базовая обработка (быстрые преобразования Фурье и последующий расчет сопротивлений для вариантов 9 и 10).
Производится картирование распределения измеренных величин значений амплитуд отдельных компонент электромагнитного поля, результатов их обработки (рассчитанные кажущиеся сопротивления горных пород). На этапе камеральной обработки осуществляется решение обратной задачи и построение геофизических разрезов с помощью стандартных средств инверсии геофизических данных.
Пример 1. Предлагаемый способ был использован при проведении аэроэлектроразведки с источником - системой дальней навигации РСДН-Альфа (удаленный источник с известными параметрами волны, частоты 11.9, 12.6, 14.9 кГц). Способ был осуществлен как описано выше. На фиг. 1 (см приложение к описанию заявки) представлено сопоставление карт электросопротивлений, полученных предлагаемым способом (слева) и методом традиционного аэроМПП (справа), масштаб съемки в обоих случаях 1:10000, высота слева 25 метров, справа 80 метров. Видно, что предложенный способ обеспечивает существенно большую детальность, информативность, точность съемки.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить точность, детальность, информативность и достоверность съемки по сравнению с аэроэлектроразведкой с пилотируемых носителей, получать детальные данные отражающие сопротивление горных порода в плане и в разрезе на глубину до 100 метров, сократить затраты на выполнение электроразведки, повысить доступность и экологичность аэроэлектроразведки.