一种无人机搭载的空中电磁信号观测装置和系统

1.本发明涉及地球物理勘探技术领域，具体涉及一种无人机搭载的空中电磁信号观测装置和系统。


背景技术：

2.人工源电磁法利用接地导线或闭合回线作为发射装置对大地进行激励，通过观测大地响应信号，实现对大地电性参数分布信息的提取。传统的电磁法装置布设在地表上，在沙漠、戈壁、山地、湿地、水网密集区域通常难以快速开展工作。为克服地形地貌条件限制，上世纪七十年来以来，先后出现了两种类型的航空电磁观测方法：全航空电磁法(airborne electromagnetic method,aem)与半航空电磁法(semi-airborne electromagnetic method,saem)。
3.aem将全部探测装备均搭载于飞行平台上，工作效率高，然而其发射功率及天线尺寸等参数受到飞行平台供电与搭载能力的限制，导致其探测深度相对有限。与aem不同，saem方法通常将系统的发射端(发射机+天线)布设于地表，将接收端(接收机+传感器)搭载于飞行平台上。由于发射端的重量与功率等参数原则上可以不受限制，从而能够实现较aem更大的探测深度；与此同时，观测装置由于搭载于飞行平台上，可以实现对大地响应的运动观测，从而同样可以达到较高的工作效率。
4.根据应用需求不同，saem的接收端通常具有两种设计方案：
5.1)多场量、多分量复合传感器，能够实现一次飞行获取更多的探测信息，然而这类设计通常也会导致传感器吊舱整体重量较大，必须采用直升机或重型无人机进行搭载，探测成本较高。
6.2)单场量、单分量传感器，尽管通常只能用于观测z轴磁场响应，但系统结构相对简单，整体重量较轻，可以使用民用轻小型无人机对系统进行搭载，保有、运营及维护成本非常低。
7.相较之下，第二种方案对于中小规模用户及经济欠发达地区具有更强的吸引力。
8.目前，单场量、单分量的主流搭载形式如图1所示。在无人机的底部挂载saem接收机；将主缆绳结构一端连接于无人机底部，另一端连接用于挂载saem传感器的伞状缆绳结构；采用数据电缆连接saem接收机与传感器，实现对观测数据的记录与存储。这种搭载形式结构简单、易于实现，已得到了广泛地应用。
9.在应用中，发现上述搭载形式存在一定问题，主要如下：
10.1)单一主缆绳结构导致传感器在飞行中容易在水平面上产生垂直前进方向的往复震荡。这种现象在无人机转弯(进入新测线时)及存在测风时，尤为明显。在实际观测中发现，这类震荡的幅度往往很大，而且持续时间很长，会对导致传感器(线圈)在水平面上的投影面积长时间剧烈变化，从而对观测数据产生严重影响。
11.2)接收机安装于无人机下方，无人机本身的电磁噪声及机械震动会对接收数据产生显著干扰。同时，采用较长的数据电缆连接接收机与传感器，也将增加外部噪声侵入几
率，同时也增加系统重量，最终影响数据质量。
12.目前的这种设计方式选择较长的主缆绳(一般会超过10米)主要基于以下考虑：将传感器置于距离无人机较远处，从而减少无人机电磁噪声对数据的影响。然而实践证明：一方面，因传感器的摆动而引入的运动噪声远较无人机电磁噪声幅度更强、特征更复杂；另一方面，单纯拉开无人机与传感器的距离，而将接收机安装于无人机下方，并不能完全解决问题，无人机的干扰依然可以通过接收机进入数据。


技术实现要素：

13.本发明提供一种无人机搭载的空中电磁信号观测装置和系统，显著增强传感器飞行中的稳定性，大幅显著抑制运动噪声。
14.为了实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
15.第一方面，本发明提供一种无人机搭载的空中电磁信号观测装置，包括：
16.相互连接的内框架、外框架和韧性支架，所述外框架的表面设置多个挂接点，用于连接缆绳；所述韧性支架安装于无人机下方，所述韧性支架为多辐伞状结构，各个辐条顶端通过缆绳连接于所述外框架的挂接点；
17.所述外框架为空心闭合结构，所述外框架的管材内部用于安装接收机的各个电子学单元；所述外框架的表面设置一个或者多个电缆接口，所述电缆接口用于连接传感器输出信号电缆；所述内框架用于容纳感应式磁传感器。
18.优选地，所述内框架与所述外框架水平共面且共中心。
19.优选地，所述外框架的整体形状包含圆形、方形，所述外框架管材的截面形状包含圆形、方形。
20.优选地，如权利要求1所述的装置，其特征在于：所述内框架与外框架间采用减震材料连接。
21.优选地，所述外框架的表面的电缆接口的数量根据所述内框架所容纳的传感器个数设置。
22.优选地，所述内框架容纳单一z轴感应式磁传感器，或者，双轴感应式磁传感器，或者，三轴感应式磁传感器。
23.优选地，所述韧性支架中辐条的数量与所述外框架上挂接点的数量相同，每根缆绳一端连接于辐条顶端，另一端连接于所述外框架上的挂接点上。
24.优选地，当所述内框架用来容纳单一感应式磁传感器时，所述内框架的整体形状包含圆形、方形，内框架管材的截面形状包含圆形、方形，所述内框架管材内部，用于安装感应式磁传感器的各电子学单元，所述内框架表面设置一个电缆接口，用于连接传感器输出信号电缆；
25.当所述内框架用来容纳双轴感应式磁传感器时，所述内框架由两个正交的管状框架联合构成，其中一个用于观测无人机前进方向的电磁信号，另一个用于观测竖直方向的电磁信号；所述内框架的两个正交的管状框架各自的整体形状包含圆形、方形；所述内框架的两个正交的管状框架的管材截面形状包含圆形、方形，所述内框架的两个正交的管状框架内部，用于安装感应式磁传感器的各电子学单元，两个正交的管状框架的表面各设置一个电缆接口，用于连接传感器输出信号电缆；
26.当所述内框架用来容纳三轴感应式磁传感器时，所述内框架由三个正交的管状框架联合构成，分别用于观测无人机前进方向的电磁信号、竖直方向的电磁信号和与无人机前进方向垂直的水平方向的电磁信号；所述内框架的三个正交的管状框架各自的整体形状包含圆形、方形；所述内框架的三个正交的管状框架的管材截面形状包含圆形、方形，所述内框架的三个正交的管状框架内部，用于安装感应式磁传感器的各电子学单元，三个正交的管状框架的表面各设置一个电缆接口，用于连接传感器输出信号电缆。
27.第二方面，本发明还提供一种无人机搭载的空中电磁信号观测系统，包括：无人机和相互连接的内框架、外框架与韧性支架，所述外框架的表面设置多个挂接点，用于连接缆绳；所述韧性支架安装于无人机下方，所述韧性支架为多辐伞状结构，各个辐条顶端通过缆绳连接于所述外框架的挂接点；
28.所述外框架为空心闭合结构，所述外框架的管材内部用于安装接收机的各个电子学单元；所述外框架的表面设置一个或者多个电缆接口，所述电缆接口用于连接传感器输出信号电缆；所述内框架用于容纳感应式磁传感器。
29.优选地，所述内框架与外框架间采用减震材料连接。
30.本发明和现有技术相比，具有如下有益效果：
31.本发明提出一种无人机搭载的空中电磁信号观测装置和系统，其接收机-传感器采用一体化结构，并利用伞状韧性支架，在充分规避无人机电磁噪声的同时，显著增强传感器飞行中的稳定性，大幅显著抑制运动噪声，因此对提升半航空观测数据质量具有重要意义。
附图说明
32.图1是相关技术中机搭载的空中电磁信号观测装置的示意图；
33.图2是本发明实施例的无人机搭载的空中电磁信号观测装置的结构示意图。
具体实施方式
34.为使本发明的发明目的、技术方案和有益效果更加清楚明了，下面结合附图对本发明的实施例进行说明，需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例和实施例中的特征可以相互任意组合。
35.如图2所示，本发明实施例提供一种无人机搭载的空中电磁信号观测装置，包括：
36.相互连接的内框架、外框架和韧性支架，所述外框架的表面设置多个挂接点，用于连接缆绳；所述韧性支架安装于无人机下方，所述韧性支架为多辐伞状结构，各个辐条顶端通过缆绳连接于所述外框架的挂接点；
37.所述外框架为空心闭合结构，所述外框架的管材内部用于安装接收机的各个电子学单元；所述外框架的表面设置一个或者多个电缆接口，所述电缆接口用于连接传感器输出信号电缆；所述内框架用于容纳感应式磁传感器。
38.本发明实施例中，外框架的整体形状包含但不限于圆形、方形，外框架管材的截面形状包含但不限于圆形、方形。外框架管材内部，将用于安装接收机的各个电子学单元。外框架表面设置电缆接口，个数视内框架所容纳的传感器个数而定，用于连接传感器输出信号电缆。外框架表面设置多个挂接点，用于连接缆绳。内框架在功能上是为了容纳感应式磁
传感器(空芯线圈)。
39.本发明实施例中，韧性支架是由多根半刚性管状或柱状材料构成的多辐伞状结构，辐条个数与外框架上设计的挂接点个数相同。韧性支架整体安装于无人机上。缆绳一端连接于各个辐条顶端，另一端连接于接收机-传感器一体化结构的外框架上设计的挂接点上。
40.本发明实施例中，所述内框架与所述外框架水平共面且共中心。
41.本发明实施例中，所述外框架的整体形状包含圆形、方形，所述外框架管材的截面形状包含圆形、方形。
42.本发明实施例中，所述内框架与外框架间采用减震材料连接。
43.本发明实施例中，包含内外两个框架，两个框架间采用减震材料连接。
44.本发明实施例中，所述外框架的表面的电缆接口的数量根据所述内框架所容纳的传感器个数设置。
45.本发明实施例中，所述内框架容纳单一感应式磁传感器，或者，双轴感应式磁传感器，或者，三轴感应式磁传感器。
46.本发明实施例中，所述韧性支架中辐条的数量与所述外框架上挂接点的数量相同，每根缆绳一端连接于辐条顶端，另一端连接于所述外框架上的挂接点上。
47.本发明实施例中，当所述内框架用来容纳单一感应式磁传感器时，所述内框架的整体形状包含圆形、方形，内框架管材的截面形状包含圆形、方形，所述内框架管材内部，用于安装感应式磁传感器的各电子学单元，所述内框架表面设置一个电缆接口，用于连接传感器输出信号电缆；
48.当所述内框架用来容纳双轴感应式磁传感器时，所述内框架由两个正交的管状框架联合构成，其中一个用于观测无人机前进方向的电磁信号，另一个用于观测竖直方向的电磁信号；所述内框架的两个正交的管状框架各自的整体形状包含圆形、方形；所述内框架的两个正交的管状框架的管材截面形状包含圆形、方形，所述内框架的两个正交的管状框架内部，用于安装感应式磁传感器的各电子学单元，两个正交的管状框架的表面各设置一个电缆接口，用于连接传感器输出信号电缆；
49.当所述内框架用来容纳三轴感应式磁传感器时，所述内框架由三个正交的管状框架联合构成，分别用于观测无人机前进方向的电磁信号、竖直方向的电磁信号和与无人机前进方向垂直的水平方向的电磁信号；所述内框架的三个正交的管状框架各自的整体形状包含圆形、方形；所述内框架的三个正交的管状框架的管材截面形状包含圆形、方形，所述内框架的三个正交的管状框架内部，用于安装感应式磁传感器的各电子学单元，三个正交的管状框架的表面各设置一个电缆接口，用于连接传感器输出信号电缆。
50.本发明实施例还提供一种无人机搭载的空中电磁信号观测系统，包括：无人机和相互连接的内框架、外框架与韧性支架，所述外框架的表面设置多个挂接点，用于连接缆绳；所述韧性支架安装于无人机下方，所述韧性支架为多辐伞状结构，各个辐条顶端通过缆绳连接于所述外框架的挂接点；
51.所述外框架为空心闭合结构，所述外框架的管材内部用于安装接收机的各个电子学单元；所述外框架的表面设置一个或者多个电缆接口，所述电缆接口用于连接传感器输出信号电缆；所述内框架用于容纳感应式磁传感器。
52.本发明实施例中，所述内框架与外框架间采用减震材料连接。
53.实施例
54.本实施例中采用农用植保无人机搭载本发明所提出的电磁信号观测装置。
55.如图2所示，韧性支架是由4根碳纤维管材构成的多辐伞状结构，整体安装于无人机起落架上。选择碳纤维管这种半刚性材料，一方面可以提供足够的支撑能力，另一方面可以对无人机震动进行抑制。在每根碳纤维管的顶端连接缆绳，缆绳的另一端与接收机-传感器一体化结构的外框架上的挂接点相连。由于缆绳为柔性材料，无人机震动将被进一步滤除，从而避免其传播到接收机-传感器一体化结构上。此外，还要注意到，韧性支架外接圆直径应远大于接收机-传感器一体化结构内框架外接圆的直径，从而可以有效规避接收机-传感器一体化结构在飞行中会产生的水平摆动。
56.如图2所示，接收机-传感器一体化结构由内框架、外框架两个框架组成，两者之间由工程橡胶材料连接。外框架的整体形状为方形，同时它的管材截面形状也是方形。在外框架内，分布式安装接收机的各个电子学单元，包括：电路板、电池、存储卡读写器、指示灯等。其中存储卡读写器及电池等在外框架表面有开口，以方便电池与存储卡的装卸。
57.如图2所示，接收机-传感器一体化结构的内框架为单一z轴模式，内外框架水平共面且共中心。内框架的整体形状为圆形，内框架管材的截面形状也为圆形。内框架管材内部，将用于安装感应式磁传感器的各电子学单元。内框架表面设置一个电缆接口，用于连接传感器输出信号电缆。