本发明涉及地球物理勘探领域，具体涉及一种基于固定翼无人机的铯光泵磁测方法。
背景技术
航空地球物理勘探是物探方法的一种，它是通过无人机上装备的专用物探仪器在航行过程中探测各种地球物理场的变化，研究和寻找地下地质构造和矿产的一种物探方法。航空磁法勘探是目前比较成熟的勘探手段，之前多用大型载人机进行工作，飞行高度在1000米以上，具有速度快，不受地面条件(如海、河、湖，沙漠)的限制，大面积工作精确度比较均一，可在一些地形条件比较困难的地区工作等优点。特别是自动控制和电子计算技术的发展，使航空物探综合化，从而提高了航空物探观测数据的计算和整理的速度及解释推断的水平，有力地促进了航空物探的发展。
在无人旋翼飞行器大幅度发展以后，无人机搭载的航空磁法设备开始出现，它是第二次世界大战期间利用遥感技术发展起来的一种快速找矿和地质调查的方法，主要方法有航空磁法、航空放射性法、航空电法、航空重力法等。
航空磁法主要用来勘探具有磁性的矿藏，如磁铁矿；探矿时的飞行高度一般为50～200米，航空物探与地面探矿方法比较具有一系列优点，它能克服种种不利地形条件和气候条件的限制，如在高寒地区、陡峭山区、原始森林、沼泽湖泊等人员难以到达的地区寻找矿藏和进行地质调查；航空物探速度快、效率高、使用劳力少,能在短期内取得大面积区域的探测资料，利用航空物探还能了解地球物理场在不同高度的变化情况，为解释地质现象和找矿提供更多的信息。
传统的航空物探方法通常采用多旋翼飞行器，其滞空时间仅仅为20-30分钟，每次仅仅能飞行6-8公里，大大降低了工作效率；且通常采用测量精度低的磁通门磁力仪进行磁测，其测量精度在5nt左右；而且，传统的航空物探方法成本高，安全性低，测量误差大，不易实现快速、精确的测量。
技术实现要素：
基于此，针对上述问题，有必要提出一种可提高测量精度、工作效率和飞行安全性，降低无人机重量、体积和成本的基于固定翼无人机的铯光泵磁测方法。
本发明的技术方案是：
一种基于固定翼无人机的铯光泵磁测方法，包括以下步骤：
a、预设定测试合格标准，进行无人机性能测试，若测试合格，则进入步骤b；若不合格，则重新进入步骤a，进行无人机性能测试；
b、建立地面测控站与无人机的信号联系，监测飞行状态；并在无人机起飞前，对磁测系统进行磁测参数的设置；
c、无人机到达测量高度后，进行磁补偿系数计算；
d、磁补偿完成后，将铯光泵磁力仪测量的包括磁场强度和三分量磁场强度的磁测数据通过串口传输至数据采集盒；同时，将gps、imu和激光测高仪测量的包括离地高度、海拔高度、经纬度坐标、飞行方向以及飞行姿态的导航数据通过串口传输至数据采集盒；
e、数据采集盒接收到相应磁测数据和导航数据后，将其传输至野外数据预处理系统进行数据处理；
f、将处理后的数据传输至数据解释系统，进行航空磁法解释。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤a包括未通电时磁干扰测试步骤：
a101、在磁场稳定处搭载无磁性架，将未安装磁力仪的无人机置于该无磁性架上；
a102、在无人机机头位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置未通电情况下的磁场值；
a103、取下无人机，在同一位置处分别用铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪测量该位置的标准磁场值；
a104、对比步骤a102的磁场值和步骤a103的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则进入步骤a105，反之，则不合格；
a105、在无人机距离机头一定位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置未通电情况下的磁场值；
a106、对比步骤a105的磁场值和步骤a103的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则未通电情况下磁干扰测试合格，反之，则不合格。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤a还包括通电时磁干扰测试步骤：
a201、在磁场稳定处搭载无磁性架，将未安装磁力仪的无人机置于该无磁性架上，并对无人机进行通电；
a202、在无人机机头位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置通电情况下的磁场值；
a203、取下无人机，在同一位置处分别用铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪测量该位置的标准磁场值；
a204、对比步骤a202的磁场值和步骤a203的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则进入步骤a205，反之，则不合格；
a205、在无人机距离机头一定位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置通电情况下的磁场值；
a206、对比步骤a205的磁场值和步骤a203的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则通电情况下磁干扰测试合格，反之，则不合格。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤a还包括无人机发动机运转时磁干扰测试步骤：
a301、在磁场稳定处搭载无磁性架，将未安装磁力仪的无人机置于该无磁性架上，并启动无人机的发动机；
a302、在无人机机头位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置发动机运转情况下的磁场值；
a303、取下无人机，在同一位置处分别用铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪测量该位置的标准磁场值；
a304、对比步骤a302的磁场值和步骤a303的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则进入步骤a305，反之，则不合格；
a305、在无人机距离机头一定位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置发动机运转情况下的磁场值；
a306、对比步骤a305的磁场值和步骤a303的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则发动机运转情况下磁干扰测试合格，反之，则不合格。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤a还包括野外磁干扰测试步骤：
a401、当在未通电、通电以及发动机运转情况下均测试合格后，选择最佳位置处安装磁通门磁力仪；
a402、在磁场干扰小且稳定的区域内控制无人机在空中采集一个小时的数据；
a403、判断采集的数据质量是否合格，如果是，则野外磁干扰测试合格；如果否，则延长磁通门磁力仪的探头长度，重新进入步骤a402。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤b包括以下步骤：
建立包括飞控系统、地控系统、地面磁日变基站、野外数据预处理系统以及数据解释系统的地面测控站；其中，飞控系统用于预设无人机的飞行航线，并实时监控飞行状态；地控系统用于在无人机起飞前，对磁测系统进行磁测参数的设置；地面磁日变基站由相同的基站磁力仪组成或者使用具备高精度和具备1hz采样率的erev-1+质子磁力仪组成；野外数据预处理系统用于对采集的磁测数据和导航数据进行格式转换、合并、数据处理以及输出；数据解释系统用于对处理的数据进行地质解释。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤c包括以下步骤：
c101、进行磁补偿系数的陆地计算，得到陆地的磁补偿系数；
c102、当无人机进入补偿飞行区域，则保持当前高度沿南北航线和东西航线作平直往返飞行；
c103、以无人机当前位置作为参考点，建立以参考点为中心的两个四边形磁补偿航线；其中一个四边形磁补偿航线的航向为东、南、西、北四个航向，另一个四边形磁补偿航线的航向为东南、东北、西北、西南四个航向；
c104、依次在各个航线上完成横滚、俯仰和摇摆的补偿飞行，其中，飞行姿态幅度范围为±(6°-7°)，且保持平均航向偏角不大于±2°。
作为上述方案的进一步优化，所述步骤e包括以下步骤：
e101、设置包括时区、椭球系、投影带以及中央子午线的参数；
e102、导入日变数据、飞行日志以及所采集的磁测数据和导航数据，并对数据进行格式转换；
e103、进行数据合并，处理合并后的数据，并输出。
本发明的有益效果是：
1、对无人机各个情况下磁干扰分布的测试，降低磁干扰对磁测的影响，保证磁测数据的准确性和有效性。
2、地面测控站实现对无人机飞行状态的监测，保证无人机可以进行自主飞行，且保证飞行的安全性。
3、进行磁补偿飞行，计算磁补偿系数，使采集的数据更真实、完善，进一步提高磁测数据的准确性和有效性。
4、采用固定翼无人机，飞行时间可以长达120分钟，每次飞行距离可以达到200公里以上，大大提高了工作效率。
5、采用铯光泵磁力仪，具有小型化的特点，具备高频采样功能，采用频率为2s-100hz，其测量精度可以提高到0.8nt以上。
6、将铯光泵磁测技术移植到了无人固定翼飞机上，大大降低了飞行成本，并且大大提高了飞行安全性。
7、改进了铯光泵磁力仪的材料和结构，大大降低了重量和体积。
附图说明
图1是本发明实施例所述基于固定翼无人机的铯光泵磁测方法的流程图；
图2是本发明实施例所述数据采集盒的采集电路图；
图3是本发明实施例所述磁测数据处理的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
实施例
如图1所示，一种基于固定翼无人机的铯光泵磁测方法，无人机采用鸭式无人机，具有低磁、飞行平稳、续航时间长、电动、伞降、故障率低以及巡航速度适中等特点，其采用前置搭载的方式与磁力仪组合，由于前置搭载时无人机本身磁场干扰最小(机身材料为低磁材料，干扰源主要为发动机，将舵机和发动机取下，进行磁场测试，可以发现磁场干扰最大的因素)，磁力仪的稳固性也最强；在探测前，进行各个情况下磁干扰分布的测试，其中：
未通电时，磁干扰测试如下：
a101、在磁场稳定处搭载无磁性架，将未安装磁力仪的无人机置于该无磁性架上；
a102、在无人机机头位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置未通电情况下的磁场值；
a103、取下无人机，在同一位置处分别用铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪测量该位置的标准磁场值；
a104、对比步骤a102的磁场值和步骤a103的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则进入步骤a105，反之，则不合格；
a105、在无人机距离机头一定位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置未通电情况下的磁场值；
a106、对比步骤a105的磁场值和步骤a103的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则未通电情况下磁干扰测试合格，反之，则不合格。
通电时，磁干扰测试如下：
a201、在磁场稳定处搭载无磁性架，将未安装磁力仪的无人机置于该无磁性架上，并对无人机进行通电；
a202、在无人机机头位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置通电情况下的磁场值；
a203、取下无人机，在同一位置处分别用铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪测量该位置的标准磁场值；
a204、对比步骤a202的磁场值和步骤a203的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则进入步骤a205，反之，则不合格；
a205、在无人机距离机头一定位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置通电情况下的磁场值；
a206、对比步骤a205的磁场值和步骤a203的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则通电情况下磁干扰测试合格，反之，则不合格。
无人机发动机运转时，磁干扰测试如下：
a301、在磁场稳定处搭载无磁性架，将未安装磁力仪的无人机置于该无磁性架上，并启动无人机的发动机；
a302、在无人机机头位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置发动机运转情况下的磁场值；
a303、取下无人机，在同一位置处分别用铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪测量该位置的标准磁场值；
a304、对比步骤a302的磁场值和步骤a303的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则进入步骤a305，反之，则不合格；
a305、在无人机距离机头一定位置处分别安装铯光泵磁力仪和磁通门磁力仪，测量该位置发动机运转情况下的磁场值；
a306、对比步骤a305的磁场值和步骤a303的标准磁场值，若比对结果满足预设定测试合格标准，则发动机运转情况下磁干扰测试合格，反之，则不合格。
野外磁干扰测试如下：
a401、当在未通电、通电以及发动机运转情况下均测试合格后，选择最佳位置处安装磁通门磁力仪；
a402、在磁场干扰小且稳定的区域内控制无人机在空中采集一个小时的数据；
a403、判断采集的数据质量是否合格，如果是，则野外磁干扰测试合格；如果否，则延长磁通门磁力仪的探头长度，重新进入步骤a402。
在以上情况下进行的磁干扰测试，其目的是尽量减少无人机发动机、舵机和电路系统等设备带来的干扰；其次，为保障飞行安全，符合空气动力学原理，需要进行空气动力学模拟检测，在实际飞行前，进行风洞测试。
然后建立包括飞控系统、地控系统、地面磁日变基站、野外数据预处理系统以及数据解释系统的地面测控站；
其中，飞控系统用于预设无人机的飞行航线，并实时监控飞行状态；
地控系统用于在无人机起飞前，对磁测系统进行磁测参数的设置；
地面磁日变基站由相同的基站磁力仪组成或者使用具备高精度和具备1hz采样率的erev-1+质子磁力仪组成；
野外数据预处理系统用于对采集的磁测数据和导航数据进行格式转换、合并、数据处理以及输出；
数据解释系统用于对处理的数据进行地质解释。
所设计的无人机，两翼宽5.8米，机身长3.6米，起飞重量大于35公斤，每架次探测面积大于60平方公里，一次可以装4个油箱，有效飞行航时大于4小时，确保海拔地区数据采集需要；无人机飞行高度可以覆盖50米-1000米的近地空间，兼具无人机的灵活性和高精度铯光泵磁力仪的高灵敏性；本发明采用小型化的铯光泵磁力仪，对外界磁场变化响应速度快，信号带宽可达1khz以上，灵敏度高，信号连续输出，不需要严格定向，尤其适用在运动平台上使用，通过光泵探头电子组件中的锁相电路可以锁定铯原子拉莫尔频率f0,并输出频率为f0的信号；通过测量拉莫尔频率值，可计算出外部磁场的强度；
建立地面测控站，可规划无人机的飞行航线，并对飞行中的无人机进行实时监测，地面测控站与无人机机型相关，具备以下功能：
1、飞控系统预设航线，可以导入编辑好的飞行剖面，保证无人机可以进行自主飞行；
2、与无人机之间可进行实时的飞行状态监控，保证无人机的飞行安全，同时具备遇险自动返航和降落伞保护的功能；
3、飞控系统及飞行器具备应急避险功能，当低于设定高度，自动开伞保护。
当无人机进入补偿飞行区域后，使用高精度磁通门磁力仪进行高精度磁测补偿计算：
c101、进行磁补偿系数的陆地计算，得到陆地的磁补偿系数；
c102、当无人机进入补偿飞行区域，则保持当前高度沿南北航线和东西航线作平直往返飞行；
c103、以无人机当前位置作为参考点，建立以参考点为中心的两个四边形磁补偿航线；其中一个四边形磁补偿航线的航向为东、南、西、北四个航向，另一个四边形磁补偿航线的航向为东南、东北、西北、西南四个航向；
c104、依次在各个航线上完成横滚、俯仰和摇摆的补偿飞行，其中，飞行姿态幅度范围为±(6°-7°)，且保持平均航向偏角不大于±2°。
无人机的背景磁场包括无人机剩磁、无人机感应磁场和无人机的涡流磁场三部分；无人机巡航时，无人机背景磁场可分为固定成分和变化成分，其中固定成分的大小一般在10～100nt范围内，变化成分的大小为1nt～3nt范围，当对无人机背景磁场的补偿增益达到10倍，再加上信号数字滤波，对飞背景磁场和目标磁场作识别，可将补偿后无人机背景磁场干扰的变化成分将降到0.24nt以下，可以保证对400米以上远距离勘探目标的有效探测；为求取磁补偿系数，先进行磁补偿系数的陆地计算，得到陆地的磁补偿系数；然后，在磁场环境均匀的地面，在东、西、南、北四个典型方向(地磁航向)，每个方向分别做横滚、俯仰和摇摆机动，每种机动持续时间约40s，机动角度为±(6°-7°)；同时，采集外部磁场强度、飞行姿态、高度以及gps位置信息，在特定方向进行补偿飞行，可将无人机干扰源数学模型中的某些项消去，逐步求解出全部的磁补偿系数；补偿飞行的各个动作并不要求绝对满足角度的要求，只要动作均匀，避免忽大忽小的机动动作，对求解磁补偿系数最为有利。
磁补偿完成后，数据采集盒采集包括磁场强度和三分量磁场强度的磁测数据，以及包括离地高度、海拔高度、经纬度坐标、飞行方向和飞行姿态的导航数据；该数据采集盒的采集电路图如图2所示，差频电路以fpga为核心，配合模拟乘法器，滤波器构成，由高稳定度恒温晶体提供频率基准，光泵探头输出的频率信号是调制在电源上的，经过信号解调出正弦信号，差频后的信号经过滤波、整形后输入fpga，进行计数，fpga中有如下功能模块：
差频计数器：差频计数器的功能是根据输入频率信号，产生1个与输入信号差1khz左右的信号，送给前端的差频、整形模块；由于要观测的地球磁场的变化缓慢，1秒钟变化的绝对值不会超过几百nt，差频信号1秒更新一次即可；由于差频信号与探头信号的差很小，经过模拟乘法器后产生的和频信号和差频信号频率则相差很大，很容易用滤波器分离；
采样控制器：按照设定的采样频率发信号；
主计数器：主计数器自由运行，对差频后的信号进行计数；
采样计数器：当采样控制器发出采样信号后，主计数器的值锁存进入采样计数器，由外部总线读取；
中断控制器：每次采样结束后，中断控制器发出中断请求，由外部总线读取采样计数器中的采样数值。
当数据传输至野外数据预处理系统后，进行数据处理，其具备格式转换，磁测数据与导航数据合并，数据滤波，姿态改正，日变改正，抽稀、数据删除、划分测线等功能，按照图3所示的处理流程对磁测数据进行整合和记录。
最后，采用数据解释系统对处理数据进行航空磁法解释，该数据解释系统为成熟的地球物理数据解释软件，具备完整的航空磁法解释模块。
以上所述实施例仅表达了本发明的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。