基于无人机磁探测系统的考古勘探技术创新与应用——以宋代冶铁遗址为例

《Electromagnetic Science》：An Unmanned Aerial Vehicle Magnetic Detection System for Archaeological Exploration

为解决传统考古方法效率低、覆盖有限的问题，研究人员开展了一项基于无人机平台的光泵磁力计（OPM）航空磁探测系统研究。该系统通过集成铯光泵磁力计、多旋翼无人机及同步数据采集模块，结合日变校正、测线校正和曲波变换（Curvelet Transform）电平校正算法，成功在福建安溪下草埔冶铁遗址识别出磁异常信号，并通过 excavation 验证了新冶炼炉遗迹的发现。该研究为大规模考古勘探提供了高效、无损的技术方案，推动了量子磁测技术在文化遗产领域的应用。

　　

在考古勘探领域，传统方法如地表勘察、挖掘和钻探虽然能直接获取文物信息，但存在效率低、覆盖范围有限且可能对遗址造成破坏等问题。尤其是对于分布范围广、埋藏较深的古代冶铁遗址，如何快速、精准地定位遗迹成为考古学家面临的挑战。这类遗址因含有铁磁性矿物（如磁铁矿），在加热至居里温度后冷却时会产生热剩磁（TRM），而冶炼残留的矿渣则通过氧化过程形成化学剩磁（CRM），共同形成独特的磁异常信号。然而，地面磁测受地形限制，而有人航空磁测成本高昂，难以在复杂地形区开展。为此，研究人员将目光投向无人机（UAV）平台，结合高灵敏度量子磁力计，试图开发一种高效、无损的考古探测新方法。

本研究由北京大学电子学院与考古文博学院联合团队完成，成果发表于《Electromagnetic Science》。团队开发了一套基于多旋翼无人机和自研铯光泵磁力计（OPM）的航空磁探测系统，通过硬件集成与数据处理算法的创新，实现了对考古遗址磁异常信号的高效捕获与解析。系统核心包括铯OPM（灵敏度0.3 pT @1 Hz）、六旋翼无人机（负载5 kg，悬停高度3.2 m）以及GPS同步数据采集模块。磁力计通过5米半刚性管悬吊于无人机下方，以降低机体磁干扰（0.6 nT）。数据处理流程涵盖日变校正（通过地面参考站）、测线校正（纠正GPS定位误差）、pendulum噪声抑制（Butterworth带通滤波，0.04–0.38 Hz）以及基于曲波变换的电平校正算法，有效消除了条纹状电平误差。

硬件模块设计

系统硬件集成如图1所示，铯OPM基于光泵浦与拉莫尔进动原理工作，在约47000 nT偏置磁场下实现高精度测量。无人机飞行高度8.2 m（磁力距地3.2 m），通过定制数据控制器同步采集磁数据（波特率9600 bps）与GPS信号（115200 bps）。静态测试显示环境噪声标准偏差为0.086 nT（图3），验证了系统稳定性。

数据处理方法

测线校正通过建立垂直于飞行方向的基线（图4），将原始GPS轨迹调整为等间距参考线，解决了航线重叠问题（图9a–b）。pendulum噪声频率（0.216 Hz）与理论计算值（T=2π√(l/g)）高度吻合，滤波后有效保留了目标信号（0.1–0.216 Hz）。曲波变换通过多尺度方向分解（公式1–4），精准分离了磁异常中的曲线特征，显著提升数据一致性。

应用验证

在福建安溪下草埔冶铁遗址（图6）的实地测试中，系统在5000 m²区域内以1 m线距飞行83分钟，发现7处磁异常点（50–150 nT）。经日变站监测（图7），干扰幅度小于1 nT，可忽略不计。噪声谱分析（图8）显示0.207 Hz与0.415 Hz的峰值分别对应pendulum基频与谐波，经滤波后异常信号清晰显现（图9c–e）。考古队对异常点进行excavation，在点位1和4处发现宋代冶铁炉遗迹（图10），包括炉颈与炉床，其结构与已发掘炉体（图11）高度相似；点位2和3为矿渣堆积区，点位6为河道负异常区，证实系统对正负异常均有响应。另一区域探测结果（图12）进一步验证了算法的可靠性，原始数据中的条纹噪声被有效抑制，六处异常点均与实地特征吻合。

本研究通过无人机磁探测系统的创新集成与算法优化，实现了考古遗址的高效、高精度勘探。系统在83分钟内完成传统方法需两月以上的勘探任务，且通过曲波变换电平校正显著提升数据质量。下草埔遗址的成功应用证明，该系统能有效识别冶铁炉与矿渣的磁异常信号，为文化遗产保护提供了技术范本。未来，结合地面验证系统可进一步提升分辨率，推动量子磁测技术在考古学中的深度应用。