Возможности применения высокочастотного магнитометра для легких БПЛА в археологии

М.И. Эпов, А.П. Фирсов, И.Н. Злыгостев, А.В. Савлук, П.А. Вайсман, А.С. Колесов, А.С. Шеремет

Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН


Современная археология стоит перед проблемой необходимости изучения огромных территорий, представляющих интерес для науки, и все уменьшающегося лимита времени из-за бурной деятельности человека, уничтожающей артефакты или делающей невозможным проведение исследований. Существующая дилемма, а также необходимость снижения стоимости работ, привлекает в археологию различные современные способы оценки потенциально интересных территорий: это фотограмметрическое исследование космических и аэрофотоснимков, лидарная и георадарная съемки, электро-, грави- и магниторазведки. Важно и то, что все эти методы являются неразрушающими способами исследования. Объем подобных работ постоянно растет, а полученные данные позволяют существенно уменьшить объем раскопок. Магниторазведка — один из наиболее информативных способов изучения территорий в археологии. Небольшой размер объектов поиска, неопределенность геометрического строения, невысокая намагниченность, сложность строения территорий проживания людей даже в одном культурном слое, существование нескольких культурных слоев на одном и том же месте требует проведения детального картирования. Крупномасштабная наземная магнитометрическая съемка c большим количеством точек наблюдения и предварительными топографическими работами — дело небыстрое и дорогое. Гораздо более производительная аэрогеофизическая съемка не дает требуемой для археологических работ детальности. Кроме того, использование самолетов, даже легкомоторных, становится экономически неоправданным при крупномасштабном картировании небольших по площади объектов и требует существования аэропортовой инфраструктуры. Существует потребность создания технологии, способной совместить производительность аэросъемки с детальностью наземной съемки и при этом получить существенно лучшие экономические характеристики.

В 2014 г. в ИНГГ СО РАН был разработан опытный образец аэрогеофизического комплекса с высокочастотным магнитометрическим каналом (ВМК), размещенным на борту беспилотного летательного аппарата (БПЛА) сверхлегкого класса. Летающая платформа комплекса представляет собой мультиротор (октокоптер) оригинальной конструкции со стандартным автопилотом. Полеты выполняются как в автоматизированном режиме, так и в режиме ручного управления. Измеритель индукции магнитного поля Земли выполнен на базе магнитомодуляционного преобразователя с полосой пропускания 3 кГц. Общий уровень магнитных помех магнитометрического канала при работе в составе комплекса не превышает 1 нТл. Уровень магнитных шумов измерительной части, измеренный в условиях естественного магнитного поля Земли вдали от промышленных объектов и линий электропередач, не превышает 0,2 нТл. Частота измерений созданного магнитометрического канала составляет 1,5 кГц, при этом число достоверных двоичных разрядов равно 22. Весь комплекс компонуется в стандартный рюкзак, а общий вес его составляет около 7 кг.

В 2014 г. были проведены полевые испытания ВМК на базе геологического полигоне НГУ (Новосибирск), ТПУ (Томск), СФУ (Красноярск). На всех исследованных объектах проводилась наземная магнитометрическая съемка протонными или квантовыми магнитометрами и разработанным ВМК на БПЛА. В качестве примера рассмотрим съемку магнитного поля Ербинского некка (рис. 1).

Морфологически некк представлен небольшим холмом элювиально-делювиальных обломков без выхода коренных пород размером около 350 × 150 м. С помощью разработанного ВМК для БПЛА была проведена наземная съемка некка. На рис. 2a показан профиль магнитного поля по магистрали, полученный по данным ВМК, а на рис. 2б — профиль, построенный по результатам съемки протонным магнитометром MMPOS-1 с расстоянием между точками измерений 5 м. Измерения проводились при высоте первичного преобразователя около 0,8 м над поверхностью Земли в первом случае, и около 1,5 м во втором. Чувствительность MMPOS-1: 0,02 нТл в 3-сек цикле, и 0,05 нТл в 1-сек цикле, абсолютная погрешность ±0,5 нТл.

Сравнение аномального магнитного поля, полученного разными способами, показывает, что магнитное поле, измеренное ВМК, в целом совпадая с данными съемки с помощью MMPOS-1, имеет более сложную структуру: содержит больше экстремумов с большей амплитудой (рис. 2а).

Для более корректного сопоставления полученных результатов была проведена пространственная фильтрация данных ВМК. Для этого данные, полученные с помощью ВМК, последовательно усреднялись по длине профиля в 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 раз. При усреднении в 64 раза (рис. 3) экстремумы на данных по совпадающим профилям совпали по количеству, но были в некоторых случаях смещены на несколько метров, а их амплитуда несколько выше, чем у данных, полученных с помощью протонного магнитометра.

Имеющиеся различия при высоких градиентах аномального магнитного поля на исследованном объекте могут быть объяснены:

Для наглядного объяснения преимущества измерений с высокой пространственной плотностью предлагается простая модель. Предположим, что есть магнитное поле, которое будет измеряться абсолютно точным магнитометром с шагом 5 м и магнитометром, имеющим некоторую ошибку, но с частотой измерения в 20 раз больше. Такая модель представлена на рис. 4. Очевидно, что, несмотря на абсолютную точность измерений в точках в первом случае, общая кривая магнитного поля имеет существенно меньшее подобие реальному магнитному полю, чем поле, измеренное с помощью менее точного, но более высокочастотного магнитометра. При ширине магнитных аномалий, сравнимых с шагом на профиле, невозможно каждый раз попадать на точку перегиба значения магнитного поля, что сдвигает измеренный экстремум относительно его реального положения и уменьшает его амплитуду. Важно следующее: так как величина аномалий магнитного поля на порядки больше чувствительности приборов, определяющим для точности описания магнитного поля является не точность магнитометра, а его рабочая частота. Увеличение плотности наблюдения с помощью более точного магнитометра ведет либо к существенному увеличению времени работ при сохранении точности измерений, либо, при увеличении частоты измерений падает их точность. В последнем случае точности приборов становятся сравнимы.

Особенно значимыми различия в измерении аномального магнитного поля современными наземными магнитометрами и ВМК становятся при исследовании археологических объектов (рис. 5). Артефакты в отличие от геологических тел имеют, как правило, меньшую глубину залегания, что отражается в форме магнитной аномалии. Аномалии над артефактом при той же интенсивности, что и у глубокозалегающего геологического тела, имеют существенно меньшие размеры по латерали. В этом случае велика возможность при наземной, даже детальной съемке, пропуска аномалии или попадания точки наблюдения магнитного поля на крыло аномалии. В последнем случае аномалия может быть воспринята как «шум». Очевидна практически нулевая вероятность попадания в точку экстремума магнитного поля. Для фиксации аномального магнитного поля необходимо минимум 5 точек над аномальным телом. При размере тела в десятые доли метра даже с учетом того, что магнитная аномалия имеет существенно большие размеры, чем само тело, точки наблюдения должны находиться на расстоянии в те же десятые доли метра. Появляется дилемма: или мы заранее должны смириться с пропуском артефактов такого размера, или существенно повысить плотность наблюдения и стоимость работ.

Существует еще один немаловажный аспект магнитометрического исследования археологических объектов. Довольно часто они имеют несколько культурных слоев с разным уровнем залегания. Очевидно, что при прочих равных условиях ранжировать тела, создающие аномальное поле, можно по градиенту магнитного поля над объектом: чем выше градиент, тем меньшая глубина залегания (рис. 6). Аэромагнитная съемка на базе БПЛА позволяет решать такие задачи, проводя детальную магнитометрическую съемку на нескольких высотах. При этом необходимо решить несколько довольно сложных проблем:

В 2014 г. были проведены первые опытные работы на археологических объектах Западной Сибири. На участке «Белая Грива» был исследован курган, а на участке «Тартас» — поле с предполагаемыми захоронениями.

На участке «Белая Грива» проводилась съемка ВМК (высокочастотным магнитометром) на БПЛА типа мультиротор. Для заверки исследований проводилась детальная магнитная съемка с помощью протонного магнитометра MPOS-1. Данные наземной съемки приведены на рис. 7, а аэросъемки – на рис. 8 и 9. Очевидно, что в целом данные по аэро- и наземной съемке совпадают. Значения магнитного поля на отдельных участках наблюдения существенно превышают аналогичные данные по наземной съемке, что и следовало предполагать из вышеизложенной модели. Интересно, что с высотой магнитное поле уменьшается, как и следует из теории. Это может служить дополнительным доказательством того, что полученные данные соответствуют истине. БПЛА, как правило, не выдерживал заданную высоту, что потребовало специальной программы пересчета данных по магнитной съемке с реальной высоты полета на выбранную высоту для последующей интерпретации.