专利名称：航空电磁装置的制作方法
背景技术：
本发明涉及一种航空电磁装置，这种航空电磁装置适于采用电磁场的地球物理勘探。
在电磁勘探中，从一个位置发送初始交变电磁场，并在与第一个位置隔开的第二个位置，接收最终所得到的场(即一次场加上来自地球的二次场)。可检测到地球中的某些异常，例如，导电物质，这是由于一次场在这些异常处所产生的二次场，并且，在第二个位置接收该二次场。
为了准确地测量二次场，重要的是在接收器处的一次场应该尽可能地恒定。一般说来，对于大个的吊舱式系统，由飞行器中的发射线圈产生一次场，并在由该飞行器所吊挂的吊舱中的一个接收线圈或一些线圈的中心测量所述一次场加上来自地球的二次场。在由直升飞机吊挂的装置中，通过将发射器和接收器刚性地安装在一个比较短的刚性吊杆上，来尽可能地保持接收器处的一次场的恒定。
显而易见的是，极为需要吊舱的空气动力学的稳定性。还需要大的发射天线或发射环形天线，而且，如果必需的话，应该能够将发射线圈和接收线圈彼此分开一个显著的距离。
飞行器可以是任何适合类型的飞行器，例如，飞行器可包括一个机身、至少一个机翼或用于产生升力的翼、以及一个稳定部件。
飞行器至少可主要由不导电的、并且是非磁性的材料制造，例如，木材、塑料或诸如此类材料，这是为了使得成为噪声源的感应磁场最小。
吊挂绳索连接装置可以是任何合适的固定装置，例如，定位于选定位置处(例如，机身和机翼)的小孔、夹紧装置、或诸如此类的装置。
稳定部件可以是任何合适的装置，例如，可以是包括一个方向舵和一个水平稳定器或浮标的装置，或者是包括这两个部件的装置。只是借助于举例的方式给出这些部件，而不是加以限定。
产生动力的装置可包括一个燃料驱动的发动机。这样，飞行器可包括一个燃料箱。
产生动力的装置除了它的产生电力的主要目的之外，此外还可用来产生推力，例如，可至少驱动一个螺旋桨或风扇。
本发明还扩展到一种航空电磁地球物理勘探装置，这种装置包括一个吊挂航空器和通过吊挂绳索装置连接到该吊挂航空器上的、所述类型装置。
吊挂航空器优选的是一架直升飞机。
由产生动力的装置所产生的推力可产生很大一部分的推力，这推力对于飞行器自己维持飞行来说是必需的。例如，产生动力的装置可至少产生四分之一的、优选的是产生三分之一的对于飞行器自己维持飞行来说是必需的推力。
吊挂绳索装置可用任何合适的固定装置、至少在两个分开的位置处、连接到翼上或连接到发射天线上。两个分开的位置优选地成直角对称地位于飞行器的机身的两侧，并且，优选地是在翼的各个端部处或各个端部处附近。为了在飞行期间使翼或发射天线的弯曲最小，可将一根附加的吊挂绳索连接到第三处，例如，连接到翼的中心，或连接到机身上，这使得三个连接处基本上位于一条线上，这条线与机身成直角。这三根吊挂绳索可在机翼上方约7米处相遇(在一个特定的例子中)，然后，从该处有一根单独的吊挂绳索向上连接到直升飞机。
本发明的装置可包括用于限定飞机相对于吊挂航空器的倾斜的装置。
倾斜限定装置可至少包括两根倾斜限定绳索，这两根倾斜限定绳索连接到飞行器的机身的前面和后面各自的位置并限定该飞行器向上和向下的倾斜。
倾斜限定绳索分别在上述线的前面和后面的位置处连接到飞行器，吊挂绳索连接处就在这条线上。
倾斜限定绳索可从飞行器的机身朝向一个位置向上伸展，上述那些固定到飞行器上的吊挂绳索在所述这个位置处相遇。
那些倾斜限定绳索可以是一根单独的绳索的一些部分，这根单独绳索通过一个定位在所述位置的滑轮。可以以任何合适的方式将这根绳索能绕滑轮移动的范围限定，例如，通过给所述绳索放置或适配止动定位器。控制或引导这一移动的方便的方式是简单地在两处给该绳索打结，这两处位于滑轮的相对的两侧处。
然而，可采用用于控制飞行器倾斜的任何其它的装置或机构。
这样，一种可供选择的的装置消除了滑轮，而是采用两根松弛绳索，这两根松弛的绳索在上述三根吊挂绳索相遇的地方与机身连接，而且，起飞或降落运行期间，当飞行器显著地向上或向下倾斜时，所述这两根松弛的绳索可交替地拉紧。
本发明的装置可包括接收线圈或接收天线。例如，接收线圈可安装在飞行器上，优选的是位于与发射天线隔开尽可能最大的距离处。接收线圈或天线可以是任何合适的结构，例如，可包括本领域普通技术人员都知道的一种三分量的装置。接收线圈可硬性地安装在飞行器上，或在该接收线圈和所述飞行器之间可有一个悬挂装置。
接收天线可安装在飞行器的机身上，或间接地与该飞行器的机身连接。例如，机身天线可安装在接收器吊舱上，该吊舱本身借助于一根吊挂绳索与飞行器连接，而该飞行器又由一架直升飞机吊挂。
优选地，第二个飞行器，也就是接收吊舱，与飞行器的重心连接，例如，与该飞行器的机翼或翼和机身的相交处连接。
装置可以是这样的，使得相对于上述飞行器以基本上是恒定的选定角度吊挂第二个飞行器。例如，第二个飞行器，也就是接收器吊舱，可以在上述飞行器定位的或飞行的水平面下成约14°的角度。由飞行速度、缆绳的密度以及缆绳的直径来确定优选的角度，而该优选的角度是当缆绳的端部并没有与接收器吊舱连接时，缆绳在飞行器后面基本上是成直线飞行时的角度。
本发明还扩展到一种航空电磁地球物理勘探装置，这种装置包括一个吊挂航空器、一个通过第一吊挂绳索装置与该吊挂航空器连接的被吊挂的飞行器、一个在该被吊挂的飞行器上的发射天线、一个通过第二个吊挂绳索装置与所述被吊挂的飞行器连接的接收器吊舱、以及一个安装在所述接收器吊舱上的接收天线。
本发明的装置可包括用于限定被吊挂的飞行器相对于吊挂飞机向上和向下的装置。
本发明的装置还包括在被吊挂的飞行器上的、产生动力的装置，用于给发射天线提供动力。
优选实施例的说明附图的
图1显示了用于航空电磁地球物理勘探装置中的本发明的装置10。
装置10包括一个飞行器12，飞行器12又包括一个机身、一个机翼或翼16、一个燃料箱18、一个驱动螺旋桨22的发动机20、以及一个发电机24和一个在所述机身尾部的稳定器26。
机身14应该是刚性的，而为此目的，可以以任何合适的方式来制造机身14。这样，例如，机身可以是圆筒形的或像桁架那样的。
燃料箱18、发动机20、螺旋桨22和发电机24都可以由电池替代，作为一种用于发射器的替换电源。在这种情况下，不对飞行器产生推力。
稳定器26包括一个方向舵28和一个水平固定的机翼或稳定器30。可选择该稳定器为V形尾翼的形式或具有环形结构，例如，就像通常的直升飞机电磁装置(HEM装置)中那样。
只是以举例的方式给出了部件28和30，可以用任何合适的装置来替换部件28和30，或者将部件28和30与任何合适的装置一起使用，例如未示出的稳定浮标。
发动机20可有17千瓦量级的速率。该发动机是通常结构类型的，并从箱18中抽取燃料。该发动机驱动螺旋桨22且还用来驱动发电机24。只是举个例子，发电机可以是24伏特和400安培的。
如果发动机有电点火装置，就必需磁屏蔽和电屏蔽该点火装置，这使得该点火装置对HEM装置没有电磁干扰。
发射器32安装在邻近发电机的机身中。该发射器还具有已知的结构，因此，这里并不详细说明。直接由发电机24给所述发射器供电。该发射器与多圈发射器环34连接，多圈发射器环34围绕机翼16的相对的那些端部和在机身14上的那些接触点延伸。计划中，发射器环是正方形的，并且，例如可以是4米乘4米的。
可以以任何合适的方式来构成上述环，所述环可由彼此隔开小的距离的、由铝棒、管、或导线构成。可以以任何相互之间几何关系来放置这些棒、管、或导线，并且，这些棒、管、或导线可暴露于空气流，但是，优选的是将它们封闭在一个流线型的外壳中，这是为了在飞行期间减少环导体的振动。图1的插图显示了构成环34的、封闭在流线型的翼型部分35中的、任何合适的材料的铝棒部件34A的剖面。以这样一种方式保持这些棒彼此刚性地隔开，即消除由于在飞行期间的高频小幅度的振动所造成的在这些棒两两之间的相对运动。
在一个优选的实施例中，采用大量的封闭在流线型的翼型外壳中的矩形铝棒或管，而不是采用单独的、自己支撑的管或翼型部分。
翼型部分可以是流线型的，以便减少阻力，但还可以设计为产生除了由机翼所产生的升力之外的升力。事实上，部分35可替代机翼16，尽管在设计上，该部分的形状有四个侧面。
机翼16的那些相对的端部提供了用于吊挂绳索36和38分别用小孔、夹具或类似的装置39连接的连接处。第三个吊挂绳索40与机翼的中心连接。三根吊挂绳索在机翼上方约7米出相遇，并且，从那里，有一根单独的吊挂绳索42向上到达直升飞机。
在三根吊挂所述相遇的地方，有一个滑轮44，一个倾斜限定滑轮绳索46通过该滑轮44，而绳索46的前端又与机身的前端附近的点48连接，并且，绳索46的后端又与该机身的中心的附近的点50连接。在上述滑轮附近，在所述绳索上，分别有两个结52和54。吊挂所述42固定在滑轮外壳56上。
这种设备的目的是限定在飞行器起飞和降落运行期间所能够获得的倾斜角。在这些条件下，飞行器向前的速度为零，而直升飞机的水平旋翼的下冲气流作用在强迫它向下的稳定器的大面积上。如果没有装置限定在起飞和降落期间这一向下的运动，飞行器将会倾斜到一个垂直位置，这会导致难于起飞和降落。在绳索上的前面的结52置于这样一个位置，以便限定飞行器的向上的倾斜约为25°，而后面的结54位于该绳索上的这样一个位置，使得所述结限定了所述飞行器的向下的倾斜约为10°。绳索连接到飞行器上的两个位置是重要的，这是由于目的是要在正常勘探情况下，当所述三根吊挂绳索和滑轮随着直升飞机的飞行速度的变化向后和向前运动时，保持滑轮绳索拉紧。
由图2可以看出，当直升飞机的速度增加时，两根绳索和滑轮44描出一条前后的圆形路线，这是由于飞行器的阻力随飞行速度而变化，因此，由飞行器到直升飞机的吊挂绳索的角度也变化。滑轮随着直升飞机的飞行速度的变化，还试图描出一个前后的椭圆形的路线，这是由于它被倾斜限定滑轮绳索所限制的缘故。因此，目的是要作出圆形和椭圆形路线，尽可能地与在起飞和降落期间向后和向前的飞行器的倾斜角度的选定的范围符合。
通过迭代数学技术，可易于确定将倾斜滑轮绳索连接到飞行器上的最佳位置。此外，要注意，拉紧滑轮绳索还为飞行器的机身提供了额外的支撑，由此，显著地减少了它在中心吊挂绳索40与该减少连接处的弯曲力矩。
一种用于并不提供额外的机身支撑的倾斜滑轮绳索的、可替换的装置是省去滑轮，然后，将一根稍微松弛的绳索从机身的前面连接到三根绳索相遇的地方，而将另一根稍微更松弛的绳索从同一地方沿着机身连接到大约半路的地方。计算这些松弛的绳索的长度，使得当飞行器向上倾斜25°角时，前面的绳索变得拉紧。
机身14是圆筒形的或像桁架那样的，并且有合适的尺寸。它还可以有支柱和导线，以便在纵向强化机身并减少飞行器重量。只是举个例子，在机翼和机身的相交部分与稳定器26两者之间的间隔是12米的数量级。
接收天线58安装在飞行器的稳定器26处，或者，可将接收天线安装在一个悬挂装置的这一位置。接收器包括本领域普通技术人员已知的那种类型的一些三分量接收线圈，这些线圈彼此相对90°取向。
飞行器12类似于通常的飞行器，但要注意的是，螺旋桨22产生的推力并不足以保持自己的飞行。例如，螺旋桨可提供的只是由通常的飞行器所产生的、保持自己飞行所需要推力的四分之一到三分之一。
将机翼16设计为当吊挂飞行器时产生升力。
在图1中，发射环的平面是水平的。另一方面，图3显示了一种可供选择的的装置，其中，发射环34A的平面是垂直的。
图3是飞行器12A主视图，该飞行器12A包括一个圆筒形的或像桁架那样的机身14A和一个机翼或翼16A。机翼有三个以分开的间隔与其连接的、并垂直延伸的、支柱60、62、和64。发射环34A围绕所述这些支柱的那些端部和机翼16A的那些相对的端部延伸。借助于缆绳66将这些支柱固定。
使用时，装置10借助于吊挂绳索36、38、和40连接到未示出的直升飞机上，吊挂绳索36、38、和40在飞行器上方约7米处相遇，并且，一根30米长的吊挂绳索42从该处向上延伸到所述直升飞机处。直升飞机拖拽飞行器12穿过空气。由发射器和发射环34产生一次电磁场，并由三分量接收线圈58检测该一次电磁场加上来自地球的二次场。这些事情都是常规的，因此，这里不再进一步说明。
飞行器12在零倾斜、滚动、和摇动的情况下比通常的直升飞机电磁(HEM)吊舱在空气动力学方面更稳定，这是由于重力、推力、升力、阻力、稳定部件的力、以及那些吊挂绳索的力实际上都是通过一点来作用，这一点就是飞行器的重心。在倾斜、滚动、和摇动都存在的情况下，力的分析表明，存在有由那些线路吊挂绳索、稳定器和/或浮标、以及发动机中的横向隔开所导致的、强的复原力矩，而所述这些线路吊挂绳索、稳定器和/或浮标、以及发动机总是起作用，以便保持飞行器沿着飞行方向。在通常的直升飞机吊舱中，吊挂绳索由固定的、三角形的、前后拖绳组成，此处的力的分析表明，吊舱以低速向上倾斜和以高速向下倾斜，从地球物理和空气动力学上来说都是不希望有的。
发射环的面积大，因此，可产生大的偶极矩(DM)。偶极矩由下述表达式给出DM=N.I.A，这里，N=发射器环中的圈数，I是电流，而A是所述环的面积。
发动机20提供了显著的电流，例如，对于环，给出了直到400安培RMS的量级的电流。这一点与大的环就以及多的圈数一起，就意味着可产生大的RMS偶极矩。大的RMS电流意味着发射器极好地适于产生通过上述环的、实际上是矩形波的电流。矩形波形含有大量的低频能量，这低频能量转而又使得能够深深地穿入导电环境。据申请人所知，通常的HEM装置只能从直升飞机上的发电机那里获得比较小的动力，这优点与小的发射器环的面积一起，导致了小的偶极矩。
机翼16提供了额外的升力，这使得直升飞机吊挂飞行器12穿过空气时做更少的功，因此，可显著的增加勘探飞行时间。对于飞行速度为70节的直升飞机，机翼所提供的升力目前约为飞行器自己保持飞行所需的升力的三分之一。正如已经指出的那样，还由部分35至少部分地产生飞行器所需的升力，部分35带有天线部件，而且，部分35与机翼16一起使用，或处于机翼16的位置。
带有螺旋桨22的发动机提供了额外的推力和空气动力学的稳定性。这意味着直升飞机做更少的功，其次，意味着在所检测到的二次信号中存在更少的来自空气动力学的不稳定性的噪声。
由于机翼16产生升力，直升飞机的勘探飞行时间可大大延长。实际上，直升飞机吊挂了一个装有发动机的滑翔机，而不是还有阻力的净重。直升飞机吊挂由飞行器12构成的、装有产生“推力和升力”的发动机的滑翔机，而不是吊挂通常的HEM吊舱，显然更加容易。
要注意的是，接收器线圈58靠近发射器线圈34。这样，发射器线圈产生的一次场与从地面所接收的、也是重要的信号的二次场相比，就大得多。因为不可能将飞行器12和发射器环34做成完全刚性的，所以，在全部去除一次场时就会遇到困难，这使得只有二次场剩下用于处理。图4所示的装置打算克服这一困难。
图4显示了一个实际上与图1所示的飞行器相同的飞行器70。然而，飞行器70并不包括安装在其上的接收器线圈58。而是将接收器线圈与高阻力吊舱72连接，借助于缆绳74，将高阻力吊舱72与飞行器70连接。缆绳74的长度可从20米变化到60米。这样的设计使得上述缆绳从飞行器70到吊舱72、以和水平面成约14°的角、向下延伸。将所示缆绳与飞行器70的重心连接，也就是说，连接到机翼16和机翼14的相交处。
将可以是40米长数量级的吊挂绳索76与吊挂绳索36和38连接并连接到吊挂直升飞机78上。
图4所示的装置具有下述优点1、由于与结构的特定的几何形状在一起的缆绳74的机械和空气动力学性能，在正常勘探的情况下，缆绳74实际上是保持为直的，因此，在发射线圈34和由吊舱72所携带的接收线圈58之间的间隔实际上保持恒定。这样，当从由线圈58所检测的信号中去除一次场时，就少考虑一个变量。2、当发射器线圈和接收器线圈彼此最靠近时，由于与来自地面的二次场相比一次场是大的，并且，由于理想情况下应该全部去除一次场从而使得只有来自地面的二次场剩下用于分析，所以，极为有益的是使一次场与二次场相比尽可能地小。通过将发射器线圈与接收器线圈分开实际上可行的最大距离，来做到这一点。又通过采用稳定的、高阻力的、接收器吊舱72来达到这一目的，借助于缆绳74从发射器飞行器70的重心吊挂该稳定的、高阻力的、接收器吊舱72，缆绳74实际上保持是直的，并且在水平面下面与该水平面成约14°角。
对于典型的勘探情况，例如，在多山的地域，飞行速度可从40节变化到80节。为了保持在发射器飞行器70和稳定的、高阻力的、接收器吊舱72之间的角度尽可能地为优选的14°角，优选地以这样一种方式来构造所述接收器吊舱，这种方式是，它的阻力和升力的组合随着飞行速度这样地变化，即，保持这一角度基本上是恒定的。
图4所示的这种装置结合了在吊挂了固定机翼的吊舱电磁勘探装置中的大线圈间隔以及通常的直升飞机装置的低飞行高度这两个优点。大线圈间隔为检测深埋的导体提供了更高的灵敏度，而低飞行高度给出了好得多的穿透深度。
图1和图4所示的装置从空气动力学来说也是稳定的。减少了接收器线圈相对于发射器线圈前后或侧向摆动的趋势，就像采用通常的、吊挂了固定机翼的、具有低阻力吊舱的、电磁航空电磁装置那样。
如所指出的那样，优选地是用不导电的和无磁性的材料来制造飞行器12的大部分结构，这使得可减少由电和磁效应所产生的噪声。
另一点是，与通常的吊挂了固定机翼的吊舱装置相比，由于发射器环的小得多的尺寸，可将发射器环制作得比通常的、固定机翼的、航空电磁装置中的环坚固的多。特别是对于湍流的情况，这导致了低噪声水平。
要注意的是，采用了两点或优选的的是三点隔开的拖绳吊挂装置，该装置的那些连接点在一条与飞行器的机身或飞行方向成直角的线上，这一点带来的益处是，即使飞行速度变化，机身也与飞行方向对齐。通常的两点前后式的HEM拖绳吊挂装置就不是这样。
此前已经说明过的、并且与侧向或横向两点或三点隔开的拖绳吊挂装置一起使用的、倾斜限定绳索装置，在起飞和降落期间，限定了飞行器的倾斜，并给予横向拖绳装置以稳定性。
权利要求
1．一种用于航空电磁地球物理勘探系统中的装置，该装置包括一个飞行器、一个在该飞行器上的发射天线、在该飞行器上用于产生使所述发射天线工作的电力的装置、以及将至少一根吊挂绳索与所述飞行器连接用于吊挂该飞行器的装置。
2．如权利要求1所述的装置，其特征在于所述飞行器包括产生推力的装置，由产生动力的装置来驱动所述产生推力的装置。
3．如权利要求1或权利要求2所述的装置，其特征在于上述发射天线包括许多天线部件，这些天线部件安装在一个流线型的翼型部分中。
4．如权利要求3所述的装置，其特征在于使得所述翼型部分的形状能够产生升力。
5．如权利要求1到权利要求4中的任何一个所述的装置，其特征在于上述飞行器包括一个用于产生升力的机翼。
6．一种航空电磁地球物理勘探系统，这种系统包括一个吊挂航空器、以及如权利要求1到权利要求5中的任何一个所述的、用吊挂绳索装置与该吊挂航空器连接的装置。
7．一种如权利要求6所述的系统，其特征在于所述吊挂航空器是直升飞机。
8．一种如权利要求6或权利要求7所述的系统，其特征在于至少在两个隔开的位置将所述吊挂绳索装置与所述飞行器连接。
9．一种如权利要求8所述的系统，其特征在于所述那些隔开的位置处于一条线上，这条线实际上与所述飞行器的机身成直角。
10．一种如权利要求6到权利要求9中任何一个所述的系统，其特征在于这种系统包括用于限定所述飞行器相对于上述吊挂航空器倾斜的装置。
11．一种如权利要求10所述的系统，其特征在于所述倾斜限定装置至少包括两根倾斜限定绳索，这两根与所述飞行器的机身的前部和后部的各自隔开的位置连接，并且限定所述飞行器向上和向下的倾斜。
12．一种如权利要求6到权利要求11中的任何一个所述的系统，这种系统包括一个安装在所述飞行器上的接收天线。
13．一种如权利要求6到权利要求11中的任何一个所述的系统，这种系统包括借助于一根吊挂绳索与所述飞行器连接的、一个接收器吊舱以及安装在该接收器吊舱上的、一个接收天线。
14．一种如权利要求13所述的系统，其特征在于上述接收器吊舱与所述飞行器的重心连接。
15．一种如权利要求13或权利要求14所述的系统，其特征在于这样安置上述接收器吊舱，使得该接收器吊舱在所述飞行器飞行的水平面下面、以一个实际上是恒定的、选定的角度被吊挂。
16．一种航空电磁地球物理勘探装置，这种装置包括一个吊挂航空器、一个通过第一吊挂绳索装置与该吊挂航空器连接的被吊挂的飞行器、一个在该被吊挂的飞行器上的发射天线、一个通过第二吊挂绳索装置与所述被吊挂的飞行器连接的接收器吊舱、以及一个安置在所述接收器吊舱上的接收器天线。
17．一种如权利要求16所述的装置，这种装置包括用于限定被吊挂的飞行器相对于吊挂航空器向上和向下的倾斜。
18．一种如权利要求16或权利要求17所述的装置，这种装置包括在所述被吊挂的飞行器上的、用于给所述发射天线提供动力的、产生动力的装置。
19．一种如权利要求16到权利要求18中的任何一个所述的装置，其特征在于所述被吊挂的飞行器包括一个用于产生升力的机翼。
20．一种如权利要求16到权利要求19中的任何一个所述的装置，其特征在于将所述第一吊挂绳索装置在两个隔开的点与所述被吊挂的飞行器连接，所述这两个隔开的点都处于与该被吊挂的飞行器的飞行方向成直角的一条线上。
21．一种用于航空电磁地球物理勘探系统中的、被吊挂的飞行器，该飞行器包括一个发射天线和用于给该天线提供动力的产生动力的装置。
22．一种如权利要求21所述的飞行器，其特征在于所述发射天线包括许多安装在一个流线型的翼型部分中的天线部件，使得该流线型的翼型部分的形状能够产生升力。
全文摘要
一种用于航空电磁地球物理勘探装置中的、被吊挂的飞行器包括一个发射天线(34)以及用于给该天线提供动力的、产生动力的装置(24)。一个安装了一个接收天线(58)的吊舱(72)(图4)可由所述被吊挂的飞行器来吊挂。
文档编号G01V3/165GK1285046SQ9881373
公开日2001年2月21日 申请日期1998年12月17日 优先权日1997年12月19日
发明者P·S·克林克特 申请人:南非美国安格罗有限公司