2013, Vol. 56
2. 国家地球物理探测仪器工程技术研究中心, 长春 130026;
3. 水利部牧区水利科学研究所, 呼合浩特 010020
2. National Engineering Research Center of Geophysics Exploration Instruments, Changchun 130026, China;
3. Postoral Areas Water Resources Research Institute of Ministry of Water Resources, Hohhot 010020, China
航空电磁法（AEM）适于对大面积区域或人员难以进入的工区进行普查性勘探，已被大量用于金属矿探查、水文地质调查、环境监测和地质灾害评估等领域[1].AEM系统由安置在飞机或者吊舱上的发射机和接收机组成，尽管可以实现大范围勘探，但由于发射磁矩和飞行高度等因素限制，航空电磁系统勘探深度有限[2].
近年来，国际上出现了一种新的半航空时间域电磁系统，它采用地面发射、空中接收的形式.90年代，最具有代表性的半航空瞬变电磁系统有FLAIRTEM系统和TerraAir系统，采用磁性源发射，地面铺设几公里长的大回线.1992年Strack.K. M基于地面LOTEM（Long Offset Transient Electro Magnetics）方法，提出GREATEM（Grounded electrical-source airborne transient Electromagnetic）系统，采用长接地导线源发射，感应线圈在空中接收，其优点是布线快速和高效.1998年，该方法得到了迅速的发展，2009年，直升机搭载的GREATEM系统在日本东北部福岛县磐梯山（Mount Bandai）进行了火山温泉探测，勘探深度达800 m.2011年，GREATEM系统在日本千叶县九十九里滨的滨海地区进行了地下电阻率结构调查[3-5].
国外地空电磁探测系统多数以直升机为飞行载体，我国直升机和固定翼航空电磁系统发展缓慢，并且受直升机飞行控制、飞行安全等实际问题困扰，选用无人飞机和飞艇为载体已成为航空探测的发展趋势[6-7].飞艇在低空飞行测量过程中，电磁噪声主要由两部分构成.一部分为艇囊前端的接收线圈切割大地磁场的磁力线，产生新的感应电动势，叠加到有用信号中，导致测量的电磁信号发生严重的零线漂移，降低了电磁数据的信噪比.另一部分为飞艇的发动机产生的电磁噪声，叠加在大地的电磁感应信号中.飞艇采用活塞式汽油发动机，点火系统在高压产生和传输的每个环节都会产生电磁辐射.发动机产生的电磁噪声具有幅值较大、频带范围宽的特点，是地空电磁信号中的主要噪声之一[8-11].这些噪声的存在将严重影响信号的质量，并且在数据反演解释时导致假异常出现，干扰对地下电性结构的正确识别，进而严重影响数据解释的精度.
本文研究了地空二维电磁响应的特征，讨论了飞行高度对电磁信号的影响，为电磁接收系统的研制和野外飞行实验数据处理提供了理论指导，并成功研制了24位连续采集存储的地空电磁接收系统，并将电磁系统搭载在飞艇上，在江苏如东和内蒙古锡林浩特进行飞行探测.无人飞艇的地空电磁探测系统，适合在草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区等特殊景观地区开展电磁探测工作，不仅可以解决我国直升机航空飞行勘探困难的问题，而且比较适用于我国地形复杂的山区资源探测，因此有广泛应用前景.
2 长导线源二维地空电磁响应数值计算为了研究长导线源地空电磁探测系统，本文基于时域有限差分数值算法[12-13]，研究倾斜薄板模型的电磁响应特征，为地空电磁探测系统的测量和野外工作方法提供了理论和技术指导.
对于无限长导线的电场分量，麦克斯韦方程可写为
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(1) |
式中e（r，t）为电场分量，r为空间矢量，t为时间，μ为磁导率，σ（r）为电导率.
根据长导线源的工作特点，采用非均匀网格剖分方法，非均匀网格在区域中心处网格小，随着与区域中心距离的增加，网格步长逐渐增大.经过推导，DuFort-Frankel差分方程写为
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(2) |
其中
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式中变量下标i，j分别对应计算网格的位置，n对应计算时刻.ei，jn+1对应n+1时刻的网格棱边中心（i，j）位置的电场，Δx、Δy和Δz分别为剖分网格大小.
由于计算机内存有限，不能完全模拟全空间，会带来截断误差.当计算空间有限时，截断误差无法忽略，因此需要确定边界处的磁场.采用了Mur吸收边界条件，推导出了二维截断边界上的电磁场值.经推导，截断边界上的边界条件如下：
（1）计算区域磁场Hz左边界条件为
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(3) |
（2）计算区域Hz右边界条件为
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(4) |
（3）计算区域Hz上边界条件为
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(5) |
（4）计算区域Hz下边界条件为
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(6) |
在地空边界上，初始场由解析式计算出.在有限差分迭代中，计算地表的场量需要其周围四个场量进行迭代，为此需要计算空中的电场值.通过向上延拓理论，根据地空交界处的电场计算空中的电场.最后根据垂直感应电动势与电场的关系，计算出磁场随时间变化率，其表达式为
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(7) |
计算空气中的电场，首先要根据解析解计算z=0处的电场，对所用的非均匀网格应用三次样条插值成均匀网格，通过傅里叶变换变换到波数域，再应用向上延拓公式计算出均匀网格上电场的分布，最后利用三次样条插值得到非均匀网格上电场的分布.
采用时域有限差分数值方法，建立了二维长导线源地空理论模型，如图 1所示，长导线源长度为1.6 km，发射电流14 A，在均匀半空间内含有低阻倾斜薄板异常，低阻倾斜薄板埋深100 m，高300 m，宽20 m，异常的电阻率为10 Ωm，围岩电阻率为100 Ωm.
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图 1 长导线源下倾斜薄板模型 Fig. 1 A dipping sheet model using long wire source |
图 2给出了飞行高度为30m、不同收发距时，长导线源发射的倾斜薄板模型地空电磁响应曲线.从图 2可见，当接收线圈在发射源正上方，地空电磁响应响应幅值为零，随着收发距的增大，响应幅值从小逐渐增大，当增大到一定幅值后，响应随收发距增大而减小.这一变化规律说明，只有当满足一定的收发距时，才可以采用地面LOTEM的处理方法对地空电磁数据进行解释.
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图 2 不同收发距时倾斜薄板的地空电磁仿真信号 Fig. 2 Theoretical response calculated by the dipping sheet model in different offsets |
地空电磁响应的这一变化规律，对于判断野外飞行实测数据的正确性提供了重要的理论依据.而且地空电磁响应的变化规律，在野外飞行测量数据中可以得到进一步验证.
图 3为t=1 ms和t=3 ms时，围岩中放置倾斜薄板与仅围岩空间模型下计算的地空电磁响应曲线.为了分析倾斜薄板的异常特性，将两种模型计算的电磁响应做差，得到仅存在倾斜薄板的电磁响应曲线，如图 4所示.从图中可见，剖面曲线的最大值对应薄板的底板，最小值对应薄板的顶板，从曲线中可以判断薄板倾斜方向.
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图 3 不同收发距时空中30m围岩空间与倾斜薄板模型感应电动势分布曲线：（a）t=1 ms；（b）t=3 ms Fig. 3 Induced electromotive force distribution curves of wall rock interspace and dipping sheet model in different off sets at 30 m flight altitude.(a)t=1 ms; (b)t=3 ms |
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图 4 不同收发距时倾斜薄板模型异常曲线 Fig. 4 Anomaly curves of the dipping sheet model for different offsets |
为了合理设计飞行参数，研究飞艇飞行高度对地空电磁响应的影响，计算了接收线圈在不同飞行高度时的电磁响应曲线，如图 5所示.为了研究飞行高度对电磁场的影响，定义了不同飞行高度相对于地表电磁响应的相对变化率，图 6给出了电磁响应随高度的变化率曲线.
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图 5 不同测量高度下的电磁响应曲线 Fig. 5 Electromagnetic response curves at different measurement altitudes |
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图 6 不同测量高度下电磁响应的相对变化率曲线 Fig. 6 Curves of relative change rates of electromagnetic response at different measurement altitudes |
从图 5中可见，飞行高度的影响主要在早期，在衰减曲线1 ms后，高度的变化对电磁响应很小，地面和地空计算的电磁响应在晚期基本重合，地空电磁响应受飞行高度变化的影响不大，说明地空电磁数据在晚期可以采用地面LOTEM的数据解释方法，这对于后期实测数据处理、计算视电阻率-深度奠定了基础.从图 6可以看出，飞艇飞行越高，电磁响应相对地表的变化率越大，几乎是线性关系.在30 m时，相对变化率基本在2%左右变化.与航空电磁法相比要小得多，在具有崎岖地形下勘查是很有优势的.
3 时间域地空电磁接收系统地空电磁探测系统由接收线圈，多通道接收机和通讯系统组成.地空电磁接收系统需要搭载于无人飞艇上，对电磁接收机提出了较高的要求：接收系统需要具有轻便化、小型化、低功耗的特点.地空接收机使用三分量连续采集技术，由搭载于空中的采集站和位于地面的控制站构成，在工作中，两者相距可达10 km以上.接收系统需具备可靠的数据通讯链路，使操作人员能在此范围内对接收机进行远程监控.接收机部分按模块化设计分为：接收端前端调理电路、模数转换器、Wifi网络接口、数据存储模块，由基于ARM Cortex-M3内核的处理器负责协调和合成各模块的时序，如图 7所示.
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图 7 地空电磁探测系统接收机结构示意图 Fig. 7 Schematic diagram of receiver structure in grounded airborne exploration system |
接收机除记录来自接收线圈的感应电压信号外，还同时记录发动机工作中的电磁噪声、由姿态传感器输出的线圈姿态以及GPS航迹.
3.1 三分量全差分连续采集存储技术在传统的设计中，受MCU性能的限制，完成多通道高速采样通常需要藉由CPLD或FPGA配合外置FIFO来完成，这样会大幅增加系统的功耗和复杂度[13].在地空电磁接收机中，通过利用MCU片上DMA建立双缓存实现对高速数据流的缓冲，并通过片上SDIO接口将数据流连续存储至SD卡上，有效简化了电路的结构.
时间域电磁信号早期衰减迅速且幅值大，晚期信号微弱.采用24位ΔΣ结构的模数转换器ADS1274对信号进行数字采样，以确保不小于140 dB的动态范围，工作方式设置为三通道全差分输入，由统一时钟进行同步采样，实现三分量电磁信号采集.
采用差分设计的固有失真模型可通过电路传递函数表达为幂级数形式
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(8) |
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(9) |
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(10) |
式中VOUT+、VOUT-和+VIN、-VIN分别为输入和输出运放的差分对，其中k1，k2和k3为常数.其中的n次项分别引起n次谐波失真.在全差分放大器中，奇数阶项保留极性，而偶数阶项始终为正.差分后，偶数阶项被消除，奇数阶不受影响.因此采用全差分运放驱动模数转换器具有共模抑制性能出色、二阶失真产物较少、直流调整算法简单的优点，可有效应对飞艇飞行过程中产生的共模干扰.
由于接收线圈输出端经较长的屏蔽双绞线与接收机输入端连接，双绞线中的分布参数不可忽视，此时差分放大器的前端必须按双绞线的特征阻抗与其匹配，以确保信号带宽并使时域反射最小.由图 8可知，放大器的输入阻抗为
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图 8 差分传输路径等效电路图 Rs为线圈端内阻.RT为输入端匹配电阻.平衡输入时RG1=RG2，RF1=RF2. Fig. 8 Equivalent circuit of differential transmission path Rs:internal resistance of coil.RT:matching resistance of input end. When input is balanced, RG1=RG2, RF1=RF2. |
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全差分放大器的增益为
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(11) |
匹配电阻的选取应满足RT∥RIN=RS，即
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最后可确定反馈电阻的值
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在全差分放大器的制作上，无源元件的容差为决定性能的关键因素.由放大器上下两端的信号路径，各自的放大倍数分别为β1、β2.由图 8可得
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输入端上的共模电压为
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(12) |
当β1=β2=β，有
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(13) |
其中
在飞艇的飞行过程中，需要操作人员在地面对空中接收机进行远程监控，根据实时传回的数据监控接收机的状态和对采集过程进行控制.
地空电磁接收系统采用基于802.11 g协议的Wi-Fi网络建立远程数据传输通道[15-16].802.11 g工作在2.4 GHz频段，与飞艇的飞控和视频传输系统不会发生串扰而威胁飞行安全.其最高传输速率达54 Mbit/s，在开阔场地使用高增益天线时，其有效距离可达400 m.为实现地面站和巡航范围达数千米的飞艇进行无缝链接，采用了基于多跳结构的Wifi-Mesh网.扩展无线Mesh网的覆盖范围只需添加节点设备，网络便可进行自我配置，并确定最佳的多跳传输路径.
4 独立分量分析（ICA）去除发动机噪声在野外飞行测量过程中，由于受到周围环境电磁噪声、飞行运动噪声、发动机的电磁干扰等影响，导致实测数据的信噪比降低.对于环境电磁噪声可以采用传统滤波方法去除，运动噪声可通过插值等方法进行校正.
由于接收线圈的位置距飞艇发动机只有几米，因此飞艇发动机电磁噪声的影响最为严重.图 9a给出了飞艇发动机带来的电磁噪声，由图 9a中可见，在晚期电磁噪声已将有效信号完全湮没，导致电磁数据无法反映大地的信息.本文提出了采用独立分量分析法（ICA）从实测信号中分离出信号与发动机噪声[17-18].
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图 9 采用ICA方法进行实测数据噪声分离的效果对比 （a）混有引擎电磁噪声的有效信号；（b）混有运动噪声与引擎噪声的信号；（c）飞艇前端感应线圈中的信号，含有引擎电磁噪声、运动噪声与有效信号；（d）分离出的引擎噪声；（e）分离出的运动噪声（基线）；（f）分离出的有效信号. Fig. 9 Comparison of signal profiles before and after processing using ICA method (a) Signal mixed with engine electromagnetic noise; (b) Signal mixed with motion noise and engine noise; (c) Signal from the induction coil in the front of airship, mixed with engine electromagnetic noise and motion noise; (d) Isolated engine noise; (e) Isolated motion noise (baseline); (f) Signal isolated using ICA method. |
对实测数据提取出的基线与发动机电磁噪声混合构造出运动噪声和电磁噪声的信号，如图 9b，接收线圈采集到的信号可看作含有以上3种信号的迭加，如图 9c所示.
图 9a、b、c中的信号分别由三组相互独立的信号源相互混迭构成，满足进行ICA分解的条件.经ICA分解后的结果如图 9d、e、f所示.可见经分解后，各独立的信号源被分离，去除了电磁噪声和运动噪声对有效信号的干扰.
5 野外实验 5.1 海水入侵地区应用实验2012年1月，采用自主研制的长导线源地空电磁探测系统，在江苏省如东县岔河镇和马塘镇的龙凤村开展了2条飞行测线的地空电磁探测，测区位于黄海以西10 km，测量工区的地理位置如图 10和图 11所示.工作参数为：地面长导线源长度为1.5 km，发射电流14 A，接收线圈和接收系统固定在无人飞艇上，飞行高度为30 m，接收线圈有效面积为20000 m2，带宽2 kHz，接收系统采样率为19.5 μs.
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图 10 南通咸水入侵地区测区位置图 Fig. 10 Map showing location of the survey area in Nantong for investigating saltwater intrusion |
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图 11 飞行测线工区图 Fig. 11 Survey area and flight lines |
南通沿海地区由于地下淡水长期大量开采，南通辖区内承压地下水水位持续下降，以如东县马塘镇为中心产生一定规模的区域性水位降落漏斗，水位变化从马塘镇为中心向海岸方向水位埋深逐渐变浅.在岔河镇和马塘镇附近的地下咸淡水的变化比较复杂.如东马塘镇的地下水水位在45 m以下，矿化度较高，附近村庄在抽水过程中先淡后咸、时淡时咸的现象常有发生.
基于地面LOTEM的数据处理方法，对实测数据进行了视电阻率-深度计算，其断面如图 12所示.如东县地区为第四系及新近系松散沉积物，主要由亚粘土构成隔水层，厚度为20~50 m，电阻率值较低[18-19].地下承压含水层组由下更新统含砾中粗砂、细中砂组成，富水性较好，顶板埋深一般在180~240 m.地下水一般为微咸水-咸水，矿化度较高，在0.85~1.23 g/L之间，电阻率在几十到几欧姆.米之间变化.图 12清晰地反映了咸淡水变化趋势和咸水侵入方向，与当地的地质水文资料一致.
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图 12 南通飞行测线视电阻率断面图 Fig. 12 Cross section of apparent resistivity from flight measurement in Nantong |
2012年9月，在内蒙古锡林浩特市巴彦宝力格盆地，采用飞艇地空电磁探测系统对地下水资源进行了探测实验.测区东南及西北为高地，高地顶部基岩出露，沿丘陵有呈U字形发育的冲沟.河床主要由中更新统冲洪积和冲湖积层组成，地势相对平坦，测区西部由新生界玄武岩组成.该区域内的玄武岩为气孔状构造，节理裂隙较为发育，连通性好.在河谷低地赋存第四系上更新统冲洪积粉细沙及砂砾石潜水含水层，含水层由玄武岩和松散层组成，其岩性以细、中砂及砂砾石层为主，岩性松散，底部为玄武岩[21].
地空电磁探测系统飞行测区如图 13所示，测线方向垂直于干涸河道，横跨河床及两侧玄武岩台地.分别采用地面瞬变电磁、大地电磁、地空电磁探测三种勘探方法进行了探测.地面TEM采用了吉林大学MiniTEM瞬变电磁系统，中心回线，发射回线为100 m×100 m，电流20 A，空心线圈有效面积为540 m2.采用本文研制的地空电磁探测系统，长导线源发射，图中场源线长为2 km，A、B为长导线源两极，发射电流13 A，接收线圈面积为20000 m2，带宽2 KHz，接收系统采样率为19.5 μs.图 14给出了飞艇飞行测量的照片.
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图 13 巴彦宝力格测区测线示意图 Fig. 13 Schematic diagram of flight lines in Bayan Baolige |
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图 14 巴彦宝力格测区飞艇飞行测量 Fig. 14 Flight survey in Bayan Baolige based on the airship |
三种不同方法探测结果如图 15.图 15a和图 15b分别为地面瞬变电磁和地空电磁探测解释结果，图 15c为大地电磁探测解释结果.通过对比地空电磁探测、地面瞬变电磁和大地电磁探测结果，可知三种电磁探测方法对于地下电性变化反映基本一致，都反映出了测线从低阻向高阻变化趋势，高阻对应玄武地层结构，低阻对应河道沉积岩.在测线700~900 m处地层结构由玄武岩和松散层自上而下构成，气孔状构造和节理裂隙较为发育，为富水区，与800处的钻孔资料一致，每小时出水量为2400吨.野外实验表明，基于飞艇的地空电磁勘探系统能够准确反映地下电性结构，有效分辨地质异常，进一步验证了地空电磁探测的有效性.
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图 15 测线视电阻率断面图 （a）地面TEM测量结果；（b）时间域地空探测系统；（c）大地电磁测量结果（由水利部牧区水利科学研究所提供）. Fig. 15 Cross sections of apparent resistivity of survey lines in Bayan Baolige (a) Ground TEM; (b) Ground-airborne system; (c) MT survey (provided by Institute of Water Conservancy in Pastoral Areas, Ministry of Water Conservancy). |
本文在研究二维有限差分方法计算长导线源地空电磁响应的基础上，研制了地空电磁探测系统，并开展了基于飞艇的野外飞行实验.通过研究表明：
（1）本文采用二维有限差分数值计算方法，分析了时域长导线源倾斜薄板的地空电磁响应特征，当接收线圈位于发射导线源正上方时，电磁响应幅值最小，随着收发距的增大，地空电磁响应幅值逐渐增大，当幅值达到最大值后，电磁响应的幅值随收发距增加而减小.这一变化规律，在野外飞行测量数据中可以得到进一步验证.
（2）通过分析飞行高度对地空电磁响应的影响发现，当满足一定收发距时，地空电磁响应受飞行高度变动的影响可以忽略，因此，晚期的地空电磁数据可以采用地面LOTEM数据处理方法进行解释.
（3）针对飞艇飞行测量中存在的发动机电磁干扰和运动噪声，在地空电磁接收系统设计中，采用全差分放大技术进行压制，并提出了ICA分解从多路信号中分离出有效信号的方法.研制了可搭载于无人飞艇的低功耗轻型接收机，进行高分辨率多分量同步连续采集，实现了地空电磁信号的高速采集和海量存储.采用Wifi Mesh技术建立了远程监控网络，可对接收系统进行远程无缝链接和控制.
（4）采用所研制的地空电磁探测系统，在江苏省南通市如东县近海地区进行海水入侵分界面探测和内蒙古巴彦保力格进行水资源探测实验.通过对比分析地空电磁探测、地面瞬变电磁和大地电磁探测结果，表明基于飞艇的地空电磁系统的探测有效性.地空电磁探测系统为在森林沼泽覆盖地区、草原沙漠地区、海陆交互地带、沼泽地带、无人山区、空白区等开展的地质问题研究提供了新思路.
致谢谢吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室为本文提供了研究平台，感谢吉林大学时间域地空电磁组全体成员和水利部牧区水利科学研究所对本研究的支持和帮助，感谢审稿者对本文的快速认真审阅.
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