CN116243388A - 一种无人机频域多频电磁探测***及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种无人机频域多频电磁探测***及应用，无人机频域多频电磁探测***包括用于对无人机飞行动作进行控制的无人机飞行模块、用于对无人机前端及底部图像进行采集的图像采集模块、用于对采集的图像内容进行分析的图像分析模块、用于根据图像分析内容对无人机飞行高度进行控制的高度控制模块、用于根据图像分析内容生成地表景物图纸的地表图纸生成模块、用于进行探测操作的电磁探测模块、用于根据地表景物对电磁探测结果进行干扰去除的干扰去除模块、用于根据电磁探测结果生成地底结构图纸的地底图纸生成模块、用于输出最终探测结果的三维图像结果模块；无人机频域多频电磁探测***可应用于地下水探测以及地下管线探测作业中。
Description
技术领域
本发明涉及涉及地质地球物理探测领域，尤其涉及一种无人机频域多频电磁探测***及应用。
背景技术
工程与环境地质问题大多涉及浅层(近地表层)探测与评价，近年来,用于浅层地球物理勘查的新技术新仪器不断涌现。在地球物理勘查技术中,电磁法勘查是一种常用的地球物理方法,主要用于UXO探测、地下水调查、地下固体废物与污染物探测、考古寻宝、土壤评价及城市管线探测等。电磁探测技术是工程和环境地球物理勘查中最有效的技术之一,目前，国内外主要是开发应用时间域航空电磁测量***，该***体系庞大，结构复杂，多基于有人机开发，人力物力成本高昂，且飞行作业空域受限。
频率域多频电磁探测是一种更为高效精确的方法，频率域电磁探测仪器利用发射频率的变化或收发距的变化来实现对不同深度的目标体进行探测,也可以利用发射线圈与接收线圈的不同结构来提高仪器的探测能力和探测效果。因此开发基于无人机的频率域航空多频电磁测量***，可以缩小设备体积，同时无人驾驶更加安全，可以有效降低人力物力。
然而，在野外进行地下水探测作业或在城市内进行地下管线探测作业时，通过电磁探测仅仅只能探测到地底的物质信息，在对该信息进行后续利用时，无法直接了解到该物质信息上方对应的地表景物信息，需要再次通过地形图纸或城市建设图纸进行测量、推算，该操作费时费力且精准度较低，严重降低了无人机电磁探测作业的探测效果，有必要对其进行改进。
发明内容
本发明目的是针对上述问题，提供一种操作简单、提高探测效果的无人机频域多频电磁探测***及应用。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种无人机频域多频电磁探测***，包括用于对无人机飞行动作进行控制的无人机飞行模块、用于对无人机前端及底部图像进行采集的图像采集模块、用于对采集的图像内容进行分析的图像分析模块、用于根据图像分析内容对无人机飞行高度进行控制的高度控制模块、用于根据图像分析内容生成地表景物图纸的地表图纸生成模块、用于进行探测操作的电磁探测模块、用于根据地表景物对电磁探测结果进行干扰去除的干扰去除模块、用于根据电磁探测结果生成地底结构图纸的地底图纸生成模块、用于输出最终探测结果的三维图像结果模块；所述无人机飞行模块与图像采集模块相连接，图像采集模块的信号输出端与图像分析模块的信号输入端相连接，图像分析模块的信号输出端分别与高度控制模块、地表图纸生成模块的信号输入端相连接，高度控制模块的信号输出端与无人机飞行模块的信号输入端相连接，电磁探测模块安装在无人机飞行模块上，电磁探测模块、地表图纸生成模块的信号输出端均与干扰去除模块的信号输入端相连接，干扰去除模块的信号输出端与地底图纸生成模块的信号输入端相连接，地底图纸生成模块、地表图纸生成模块的信号输出端均与三维图像结果模块的信号输入端相连接。
进一步的，所述无人机频域多频电磁探测***还包括用于对待探测区域进行确定的探测范围模块、用于对探测路径进行规划的路线规划模块；探测范围模块的信号输出端与路线规划模块的信号输入端相连接，路线规划模块的信号输出端与无人机飞行模块的信号输入端相连接。
进一步的，所述无人机频域多频电磁探测***还包括用于确保地表图纸生成模块与地底图纸生成模块中位置保持一致的位置同步模块，位置同步模块的信号输出端与三维图像结果模块的信号输入端相连接。
进一步的，所述无人机频域多频电磁探测***还包括用于对图像采集模块的采集时间间隔进行控制的采集时间设定模块，采集时间设定模块的信号输出端与图像采集模块的信号输入端相连接。
进一步的，所述无人机飞行模块包括用于进行GPS定位的GPS定位模块、用于进行飞行操作的螺旋桨、用于操作螺旋桨进行飞行的飞行控制单元、用于分辨方位角度的陀螺仪、用于对无人机高度进行监测的高度传感器、用于安装电磁探测模块和图像采集模块的附属单元；所述GPS定位模块、陀螺仪、高度传感器、路线规划模块、高度控制模块的信号输出端均与飞行控制单元的信号输入端相连接，飞行控制单元的信号输出端与螺旋桨相连接；所述附属单元上安装有电磁探测模块和图像采集模块。
进一步的，所述图像采集模块包括用于对无人机前端图像进行拍摄的前端图像拍摄单元、用于对无人机前端障碍物的距离进行探测的前端障碍物距离探测单元、用于对无人机底端图像进行拍摄的底端图像拍摄单元、用于对无人机底端障碍物的距离进行探测的底端障碍物距离探测单元；所述前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元均安装在无人机分型模块上，前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元的信号输入端与采集时间设定模块的信号输出端相连接，前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元的信号输出端与图像分析模块的信号输入端相连接。
进一步的，所述电磁探测模块包括若干个用于产生一次电磁场的发射线圈、若干个与发射线圈相对应并接收二次磁场反馈信号的接收线圈、用于降低一次电磁场影响的补偿线圈、用于对接收线圈接收的信号进行采集的中央采集单元；若干个发射线圈、若干个接收线圈以及补偿线圈、中央采集单元均安装在无人机飞行模块上，若干个接收线圈以及补偿线圈均与中央采集单元的信号输入端相连接，中央采集单元的信号输出端与干扰去除模块的信号输入端相连接。
进一步的，所述干扰去除模块包括用于对建筑物干扰影响进行去除的建筑物干扰因素去除单元、用于对树木干扰影响进行去除的树木干扰因素去除单元、用于对山峦干扰影响进行去除的山峦干扰因素去除单元、用于对水洼干扰影响进行去除的水洼干扰因素去除单元；所述建筑物干扰因素去除单元、树木干扰因素去除单元、山峦干扰因素去除单元、水洼干扰因素去除单元的信号输入端均与电磁探测模块、地表图纸生成模块的信号输出端相连接，建筑物干扰因素去除单元、树木干扰因素去除单元、山峦干扰因素去除单元、水洼干扰因素去除单元的信号输出端均与地底图纸生成模块的信号输入端相连接。
一种无人机频域多频电磁探测***的应用，所述无人机频域多频电磁探测***可应用于地下水探测以及地下管线探测作业中。
与现有技术相比，本发明具有的优点和积极效果是：
本发明在进行地质探测作业时，其通过无人机飞行模块沿着规划路线进行飞行动作，在飞行过程中，通过图像采集模块对地表图像进行拍摄，图像分析模块根据拍摄到的图像以及无人机与障碍物之间距离进行分析判断出障碍物的类别以及障碍物的体积，最终在地表图纸生成模块中生成地表景物图纸；同时，在飞行过程中，通过电磁探测模块对地底物质进行探测，可以通过地底图纸生成模块生成地底物质图纸，将地表景物图纸与地底物质图纸在地理位置上进行结合即可得到可以同时看到地表景物和地底物质的三维地质图像；在进行地质探测作业的后续利用工作时可以简单明了的看到地底信息上方的景物图像，不需要另外通过地形图纸、建筑图纸去测量、推算，有效提高了地质探测后续作业的工作效率以及作业精准度，给地质探测工作带来了便利。
另一方面，图像分析模块分析得到障碍物的体积高度后，会将障碍物的体积高度信息传输给高度控制模块并通过高度控制模块对无人机的飞行高度进行控制，其可以实现无人机飞行高度的自动化控制，避免了出现无人机撞击在障碍物上造成损坏的状况；并且由于不同的地表景物会对电磁探测反馈信号造成不同程度的影响，本发明通过设置干扰去除模块来根据不同的地表景物对电磁探测模块的探测结果进行干扰修正，从而提高了地质探测结果的准确性，进一步提高了地质探测作业的探测效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的框架结构图；
图2为无人机飞行模块的框架结构图；
图3为图像采集模块的框架结构图；
图4为电磁探测模块的框架结构图；
图5为干扰去除模块的框架结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，所作的任何修改 、 等同替换 、 改进等 ， 均应包含在本发明的保护范围之内。
如图1至图5所示，本实施例公开了一种无人机频域多频电磁探测***，包括用于对无人机飞行动作进行控制的无人机飞行模块、用于对无人机前端及底部图像进行采集的图像采集模块、用于对采集的图像内容进行分析的图像分析模块、用于根据图像分析内容对无人机飞行高度进行控制的高度控制模块、用于根据图像分析内容生成地表景物图纸的地表图纸生成模块、用于进行探测操作的电磁探测模块、用于根据地表景物对电磁探测结果进行干扰去除的干扰去除模块、用于根据电磁探测结果生成地底结构图纸的地底图纸生成模块、用于确保地表图纸生成模块与地底图纸生成模块中位置保持一致的位置同步模块、用于输出最终探测结果的三维图像结果模块；
所述无人机飞行模块与图像采集模块相连接，图像采集模块的信号输出端与图像分析模块的信号输入端相连接，图像分析模块的信号输出端分别与高度控制模块、地表图纸生成模块的信号输入端相连接，高度控制模块的信号输出端与无人机飞行模块的信号输入端相连接，电磁探测模块安装在无人机飞行模块上，电磁探测模块、地表图纸生成模块的信号输出端均与干扰去除模块的信号输入端相连接，干扰去除模块的信号输出端与地底图纸生成模块的信号输入端相连接，地底图纸生成模块、地表图纸生成模块、位置同步模块的信号输出端均与三维图像结果模块的信号输入端相连接。
所述无人机频域多频电磁探测***还包括用于对待探测区域进行确定的探测范围模块、用于对探测路径进行规划的路线规划模块；探测范围模块的信号输出端与路线规划模块的信号输入端相连接，路线规划模块的信号输出端与无人机飞行模块的信号输入端相连接。
在进行地质探测操作时，只需将探测区域范围输入到探测范围模块内即可，路线规划模块会根据输入的探测范围进行无人机飞行路线规划并控制无人机飞行模块按照飞行路线进行飞行操作。
所述无人机频域多频电磁探测***还包括用于对图像采集模块的采集时间间隔进行控制的采集时间设定模块，采集时间设定模块的信号输出端与图像采集模块的信号输入端相连接。
采集时间设定模块用于对图像采集的时间间隔进行设定，通常设定为0.5秒/次。
无人机飞行模块主要进行按路径飞行的操作，所述无人机飞行模块包括用于进行GPS定位的GPS定位模块、用于进行飞行操作的螺旋桨、用于操作螺旋桨进行飞行的飞行控制单元、用于分辨方位角度的陀螺仪、用于对无人机高度进行监测的高度传感器、用于安装电磁探测模块和图像采集模块的附属单元；所述GPS定位模块、陀螺仪、高度传感器、路线规划模块、高度控制模块的信号输出端均与飞行控制单元的信号输入端相连接，飞行控制单元的信号输出端与螺旋桨相连接；所述附属单元上安装有电磁探测模块和图像采集模块。
所述图像采集模块包括用于对无人机前端图像进行拍摄的前端图像拍摄单元、用于对无人机前端障碍物的距离进行探测的前端障碍物距离探测单元、用于对无人机底端图像进行拍摄的底端图像拍摄单元、用于对无人机底端障碍物的距离进行探测的底端障碍物距离探测单元；所述前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元均安装在无人机分型模块上，前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元的信号输入端与采集时间设定模块的信号输出端相连接，前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元的信号输出端与图像分析模块的信号输入端相连接。
图像采集模块采集到拍摄图像以及拍摄时无人机与障碍物之间的距离，图像分析模块根据图像中障碍物的大小以及距离即可分析出障碍物的体积、高度，根据障碍物的体积、高度即可绘制地表图纸，同时可以辅助无人机进行飞行高度控制。
所述电磁探测模块包括若干个用于产生一次电磁场的发射线圈、若干个与发射线圈相对应并接收二次磁场反馈信号的接收线圈、用于降低一次电磁场影响的补偿线圈、用于对接收线圈接收的信号进行采集的中央采集单元；若干个发射线圈、若干个接收线圈以及补偿线圈、中央采集单元均安装在无人机飞行模块上，若干个接收线圈以及补偿线圈均与中央采集单元的信号输入端相连接，中央采集单元的信号输出端与干扰去除模块的信号输入端相连接。
电磁探测模块主要实现频率域电磁勘探操作，频率域电磁勘探是一种建立在电磁感应原理基础上的频率域磁偶源探测方法，其数学物理基础是基于导电介质在变化激励磁场激发下而引起的涡流场问题，满足麦克斯韦方程组。接收线圈有水平共面(垂直磁偶源)和垂直共面(水平磁偶源)两种线圈模式，其他的磁偶源频率域电磁仪器也多采用这两种装置类型。根据线圈模式的不同，探测***的数据采集方式分为水平共面线圈(垂直磁偶源)和垂直共面线圈(水平磁偶源)两种，而水平共面线圈方式是目前应用相对较多的方法，其探测深度较垂直共面线圈大。本方案中的电磁探测模块采用水平共面线圈采集数据。
发射线圈、补偿线圈、接收线圈为固定的共面线圈，发射线圈与相对应接收线圈之间的间距为1.5m；工作频率范围为30Hz～95kHz，可同时进行多个频率的数据采集。探测以地下介质的电性和磁性为基础，通过发射线圈产生一个包含不同频率的一次低频电磁场，一次磁场在地下的良导体中感应出微弱的涡流电场，由此涡流产生一个二级磁场并与经空气传播的初级磁场叠加在一起被接收线圈检测和记录。接收线圈接收到的信号中，能够反映地下介质电导率信息的仅二次场信号，因此在对采集数据进行处理之前必须去除一次场，通过补偿线圈的补偿作用把一次场影响降到最低。
所述干扰去除模块包括用于对建筑物干扰影响进行去除的建筑物干扰因素去除单元、用于对树木干扰影响进行去除的树木干扰因素去除单元、用于对山峦干扰影响进行去除的山峦干扰因素去除单元、用于对水洼干扰影响进行去除的水洼干扰因素去除单元；所述建筑物干扰因素去除单元、树木干扰因素去除单元、山峦干扰因素去除单元、水洼干扰因素去除单元的信号输入端均与电磁探测模块、地表图纸生成模块的信号输出端相连接，建筑物干扰因素去除单元、树木干扰因素去除单元、山峦干扰因素去除单元、水洼干扰因素去除单元的信号输出端均与地底图纸生成模块的信号输入端相连接。
在电磁探测模块探测到某一位置的地质信息后，其会输出该位置的地质探测结果，同时，地表图纸生成模块会将该位置的地表景物信息传输过来，地质探测结果根据该位置的地表景物选择相应的干扰因素去除单元来进行干扰去除操作，最终得到精准的地质探测结果；其可以根据不同的地表景物设置不同的干扰因素去除单元，有效提高了地质探测结果的准确性，进一步提高了本发明的探测效果。
本发明还公开了一种无人机频域多频电磁探测***的应用，所述无人机频域多频电磁探测***可应用于地下水探测以及地下管线探测作业中。
例如在野外进行地下水探测后，需要从探测结果中寻找适合打井的位置，即可根据地下水的探测路径查看地表的不同景物，快速避开山峦地带，方便了打井位置的快速寻找；或者在城市内进行地下管线探测后需要从探测结果中寻找一个管线位置作为管线连接枢纽，即可根据地下管线的探测路径查看地表的景物，避开建筑物以及交通拥挤区域，方便管线连接枢纽位置的施工作业。
本发明在进行地质探测作业时，其通过无人机飞行模块沿着规划路线进行飞行动作，在飞行过程中，通过图像采集模块对地表图像进行拍摄，图像分析模块根据拍摄到的图像以及无人机与障碍物之间距离进行分析判断出障碍物的类别以及障碍物的体积，最终在地表图纸生成模块中生成地表景物图纸；同时，在飞行过程中，通过电磁探测模块对地底物质进行探测，可以通过地底图纸生成模块生成地底物质图纸，将地表景物图纸与地底物质图纸在地理位置上进行结合即可得到可以同时看到地表景物和地底物质的三维地质图像；在进行地质探测作业的后续利用工作时可以简单明了的看到地底信息上方的景物图像，不需要另外通过地形图纸、建筑图纸去测量、推算，有效提高了地质探测后续作业的工作效率以及作业精准度，给地质探测工作带来了便利。
另一方面，图像分析模块分析得到障碍物的体积高度后，会将障碍物的体积高度信息传输给高度控制模块并通过高度控制模块对无人机的飞行高度进行控制，其可以实现无人机飞行高度的自动化控制，避免了出现无人机撞击在障碍物上造成损坏的状况；并且由于不同的地表景物会对电磁探测反馈信号造成不同程度的影响，本发明通过设置干扰去除模块来根据不同的地表景物对电磁探测模块的探测结果进行干扰修正，从而提高了地质探测结果的准确性，进一步提高了地质探测作业的探测效果。
Claims (9)
1.一种无人机频域多频电磁探测***，其特征在于：所述无人机频域多频电磁探测***包括用于对无人机飞行动作进行控制的无人机飞行模块、用于对无人机前端及底部图像进行采集的图像采集模块、用于对采集的图像内容进行分析的图像分析模块、用于根据图像分析内容对无人机飞行高度进行控制的高度控制模块、用于根据图像分析内容生成地表景物图纸的地表图纸生成模块、用于进行探测操作的电磁探测模块、用于根据地表景物对电磁探测结果进行干扰去除的干扰去除模块、用于根据电磁探测结果生成地底结构图纸的地底图纸生成模块、用于输出最终探测结果的三维图像结果模块；所述无人机飞行模块与图像采集模块相连接，图像采集模块的信号输出端与图像分析模块的信号输入端相连接，图像分析模块的信号输出端分别与高度控制模块、地表图纸生成模块的信号输入端相连接，高度控制模块的信号输出端与无人机飞行模块的信号输入端相连接，电磁探测模块安装在无人机飞行模块上，电磁探测模块、地表图纸生成模块的信号输出端均与干扰去除模块的信号输入端相连接，干扰去除模块的信号输出端与地底图纸生成模块的信号输入端相连接，地底图纸生成模块、地表图纸生成模块的信号输出端均与三维图像结果模块的信号输入端相连接。
2.如权利要求1所述的无人机频域多频电磁探测***，其特征在于：所述无人机频域多频电磁探测***还包括用于对待探测区域进行确定的探测范围模块、用于对探测路径进行规划的路线规划模块；探测范围模块的信号输出端与路线规划模块的信号输入端相连接，路线规划模块的信号输出端与无人机飞行模块的信号输入端相连接。
3.如权利要求2所述的无人机频域多频电磁探测***，其特征在于：所述无人机频域多频电磁探测***还包括用于确保地表图纸生成模块与地底图纸生成模块中位置保持一致的位置同步模块，位置同步模块的信号输出端与三维图像结果模块的信号输入端相连接。
4.如权利要求3所述的无人机频域多频电磁探测***，其特征在于：所述无人机频域多频电磁探测***还包括用于对图像采集模块的采集时间间隔进行控制的采集时间设定模块，采集时间设定模块的信号输出端与图像采集模块的信号输入端相连接。
5.如权利要求4所述的无人机频域多频电磁探测***，其特征在于：所述无人机飞行模块包括用于进行GPS定位的GPS定位模块、用于进行飞行操作的螺旋桨、用于操作螺旋桨进行飞行的飞行控制单元、用于分辨方位角度的陀螺仪、用于对无人机高度进行监测的高度传感器、用于安装电磁探测模块和图像采集模块的附属单元；所述GPS定位模块、陀螺仪、高度传感器、路线规划模块、高度控制模块的信号输出端均与飞行控制单元的信号输入端相连接，飞行控制单元的信号输出端与螺旋桨相连接；所述附属单元上安装有电磁探测模块和图像采集模块。
6.如权利要求5所述的无人机频域多频电磁探测***，其特征在于：所述图像采集模块包括用于对无人机前端图像进行拍摄的前端图像拍摄单元、用于对无人机前端障碍物的距离进行探测的前端障碍物距离探测单元、用于对无人机底端图像进行拍摄的底端图像拍摄单元、用于对无人机底端障碍物的距离进行探测的底端障碍物距离探测单元；所述前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元均安装在无人机分型模块上，前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元的信号输入端与采集时间设定模块的信号输出端相连接，前端图像拍摄单元、前端障碍物距离探测单元、底端图像拍摄单元、底端障碍物距离探测单元的信号输出端与图像分析模块的信号输入端相连接。
7.如权利要求6所述的无人机频域多频电磁探测***，其特征在于：所述电磁探测模块包括若干个用于产生一次电磁场的发射线圈、若干个与发射线圈相对应并接收二次磁场反馈信号的接收线圈、用于降低一次电磁场影响的补偿线圈、用于对接收线圈接收的信号进行采集的中央采集单元；若干个发射线圈、若干个接收线圈以及补偿线圈、中央采集单元均安装在无人机飞行模块上，若干个接收线圈以及补偿线圈均与中央采集单元的信号输入端相连接，中央采集单元的信号输出端与干扰去除模块的信号输入端相连接。
8.如权利要求7所述的无人机频域多频电磁探测***，其特征在于：所述干扰去除模块包括用于对建筑物干扰影响进行去除的建筑物干扰因素去除单元、用于对树木干扰影响进行去除的树木干扰因素去除单元、用于对山峦干扰影响进行去除的山峦干扰因素去除单元、用于对水洼干扰影响进行去除的水洼干扰因素去除单元；所述建筑物干扰因素去除单元、树木干扰因素去除单元、山峦干扰因素去除单元、水洼干扰因素去除单元的信号输入端均与电磁探测模块、地表图纸生成模块的信号输出端相连接，建筑物干扰因素去除单元、树木干扰因素去除单元、山峦干扰因素去除单元、水洼干扰因素去除单元的信号输出端均与地底图纸生成模块的信号输入端相连接。
9.一种如权利要求8所述的无人机频域多频电磁探测***的应用，其特征在于：所述无人机频域多频电磁探测***可应用于地下水探测以及地下管线探测作业中。
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