中国科学院电子学研究所 中国科学院电磁辐射与探测技术重点实验室
导读:
关键词 半航空瞬变电磁系统；无人直升机；三轴感应式磁场传感器；大探深
0 引言
航空电磁勘探方法是一种高效的、区域性的地球物理电磁探测方法。传统的航空电磁探测多采用有人直升机或固定翼飞机来搭载勘探系统，不仅勘察成本高，而且平台协调复杂、安全系数要求高、空域审批难度大，因此很难满足市场的应用需求。
近几年来，随着无人机（UAV）技术的不断成熟，利用无人机平台搭载航空电磁勘探设备已经成为一种发展趋势。相比于传统的有人机平台航空电磁系统、无人机平台具有精度高、实施方便、成本低、安全性好等优点，在地质调查、矿产资源勘探、环境监测等领域具有广阔的应用前景。目前制约其发展的主要因素是无人飞行器的平台稳定性、载荷能力及续航能力。受限于平台的局限性，半航空电磁勘探系统多采用单分量传感器及单通道采集系统来减小系统重量，并且没有集成用于记录平台姿态数据的惯性导航系统，因此难以准确去除因姿态变化引起的信号畸变。同时由于常规无人飞行器续航能力较小、飞控作用半径短，频繁的起降会大大降低工作效率、提高作业成本。
半航空瞬变电磁系统最早起源于俄罗斯和西欧，目的是解决全航空电磁系统的探测深度问题，最初的半航空电磁系统均以有人机作为搭载平台，系统重量通常较大。20世纪90年代初期典型的半航空瞬变电磁系统有TURAIR系统、TerraAir系统和FLAIRTEM系统等。FLAIRTEM系统采用磁性源发射，发射边长通常为数千米，并且在巴布亚新几内亚（PNG）取得了一定的勘探成果。1998年日本的Mogi等发展了一种接地导线源航空瞬变电磁（GREATEM）系统，从理论上对GREATEM系统探测能力进行了阐述，并将该方法应用于火山结构调查、海岸带地区地下结构调查、隧道调查等相关工作，取得了很好的应用效果。Smith等对航空电磁系统、半航空电磁系统、地面电磁系统探测效果进行了对比，结果表明半航空电磁系统的探测效率和探测深度均介于航空电磁系统和地面电磁系统二者之间，是一种结合了二者优势的有效的探测方法。我国在半航空瞬变电磁系统研究方面多以理论方法研究为主，仪器研制方面起步较晚。阳贵红对电性源地空电磁探测系统数据预处理进行了系统研究；嵇艳鞠等在国内率先进行了半航空瞬变电磁系统的研究工作，采用无人飞艇作为设备的搭载平台，并在南通市如东县和内蒙古巴彦宝利格地区进行了飞行测试，取得了良好的效果；李肃义等研究了电性源时间域地空系统的噪声特点，并使用小波变换对电磁数据进行噪声去除，取得了理想的去噪效果；赵越对地空系统非中心点处多分量的频率域与时间域电磁响应曲线的特征与规律进行了系统的总结，为多分量解释技术奠定了基础；张莹莹定义了地空系统全域视电阻率，为地空系统反演解释奠定了理论基础；崔江伟等求解了电性源瞬变电磁系统B场的全程视电阻率；李貅等探讨了电性源瞬变电磁地空系统逆合成孔径成像技术，为地空系统成像技术提供了理论指导；解放军信息工程大学方涛等研制了一套基于多旋翼无人机的地空瞬变电磁系统，并在冶山铁矿对地下巷道进行了探测试验；刘富波等对S-ATEM系统进行了简要介绍，并介绍了在内蒙古东乌旗的一个应用实例。
中国科学院电子学研究所电磁辐射与探测技术重点试验室于2013年开展了以无人机为搭载平台的半航空瞬变电磁勘探（Semi-Airborne Transient Electromagnetic，S-ATEM）系统的研制。目的是研制一套具有长航时、大探深、多分量、平台移植性强的半航空瞬变电磁勘探系统。经过三年的技术攻关，已经完成了S-ATEM实用化样机的研制。S-ATEM系统具有接近有人机平台的勘探飞行时长，可实现正交三分量瞬变电磁信号的观测。该系统采用高精度的惯导差分GPS系统实现电磁观测平台的坐标与姿态监测，实现精细的姿态校正，从而提高数据处理精度。大功率地面发射单元、低噪声宽带磁传感器及多通道接收单元三者之间的优化设计实现了大深度与高分辨率探测。2015年以来，S-ATEM系统开展了数次基于勘探应用的飞行测试，通过飞行测试结果与已有资料的比对，结果表明S-ATEM系统能够有效的分辨地下介质的电导率信息，是一套稳定、高效、可实用的探测系统。
1 S-ATEM系统原理及构成
1.1 S-ATEM系统原理
S-ATEM系统工作原理（图1）因与LOTEM工作原理相似，因此也被称为航空版LOTEM。利用大功率电磁发射机通过长导线和接地电极向地下发射一定频率、一定占空比的双极性方波。由电磁感应原理可知，当发射电流关断后会激励地下介质产生二次感应磁场。通过安装于飞行平台上的接收机和感应线圈连续接收地下介质产生的二次感应磁场，通过分析感应电磁信号从而获得地下电导率分布的信息，达到勘探地下目标体的目的。
图1 S-ATEM系统原理及组成
1.2 S-ATEM系统组成
S-ATEM系统主要由地面信号发射子系统、空中接收子系统、飞行平台及数据处理子系统组成，系统详细指标如下表1所示。地面信号发射子系统由发电机、大功率电磁发射机、数千米长的发射线缆及接地电极组成。发射机将三相交流电整流后输出特定频率和占空比的双极性方波，并通过发射线缆向外辐射瞬变电磁信号。空中接收子系统包括多通道接收机、三轴感应式磁场传感器和惯性导航系统组成。多通道接收机安装于飞行平台舱体下部，三轴感应式磁场传感器和惯性导航系统安装在悬吊于飞行平台下方的传感器吊舱内。
表1 S-ATEM系统指标
本系统惯性导航系统使用星网宇达公司的XW-GI5651，该系统具有重量轻、精度高等优点，姿态测量动态精度能够达到0.1°，经过与放置于地表的地面基站采集的数据进行后差分处理，其动态精度能够提升至0.05°，能够精确测量传感器姿态变化及传感器位置信息。飞行平台选用山东潍坊天翔公司的V750无人直升机系统，其有效载荷能够达到80kg，带载荷情况下续航时间大于1.5h，该系统抗风能力达到7m/s，能够实现低空和低速飞行，飞行稳定度和航线精准度较高。数据处理子系统分为数据预处理模块、反演模块及成像模块构成。数据预处理模块包括原始惯导数据的后差分处理，原始电磁数据运动噪声去除、姿态校正、双极性叠加、多周期叠加、衰减曲线的抽道和滤波等，将预处理后的数据与位置信息进行反演处理和成图｡
2 S-ATEM系统关键技术
2.1 大功率电磁信号发射机
S-ATEM系统发射机采用恒流限压的工作方式实现双极性方波电流激励信号的产生，通过GPS实现发射机与接收机的精确同步，同时对发射电流波形进行全波形精准控制，通过闭环反馈，前馈补偿以及独有的控制算法，保证在不同负载条件下，发射电流波形稳定可靠。
图2 S-ATEM系统发射机原理
发射电流关断时间是发射机最重要的参数之一，直接影响系统数据的解释结果。由于零关断电流在物理上不可实现，而斜坡关断电流是理想阶跃关断电流的一种变形，其下降沿具有快速线性衰减特性，有利于瞬变电磁场后沿数据校正，可以使数据解释结果准确可靠，因此要求发射机关断电流高线性度、快速下降。S-ATEM系统发射机采用恒压钳位方法实现斜坡关断电流，通过高电压钳位电路使电流下降沿期间的输出电压钳位至一个高电压值恒定不变，实现电流快速线性下降。
2.2 多通道接收机
半航空瞬变电磁勘探是一种动态收发系统，接收单元相对于发射单元的位置不断变化，对应的接收辐射场信号强度变化相差几十倍，因此需要大动态范围的接收系统。S-ATEM接收机采用双增益采集系统，增益倍数由发射信号强度和探测区域的介质情况共同决定。如图3所示，接收机同时采集两种不同增益倍数的磁场各方向分量，然后将两种增益倍数的数据进行面积归一化，并将归一化后的电磁数据拼接成完整数据，实现大动态磁场信号采集，有效的解决了半航空瞬变电磁系统的探测区域问题，扩展了系统探测范围。
图3 S-ATEM系统接收机原理
2.3 三轴感应式磁场传感器
影响时间域磁场传感器性能的四个参数包括结构尺寸、重量、谐振频率以及等效输入噪声水平。磁场传感器的设计需要综合考虑以上四个因素，或在限定尺寸和重量的情况下实现谐振频率最大化和噪声水平最小化，或在同样谐振频率和噪声水平的情况下实现尺寸和重量的最小化。S-ATEM系统三轴感应式磁场传感器在设计时要充分考虑传感器吊舱的气动性能和自身尺寸与重量等因素。传感器的感应线圈采用分段绕制并增加线圈间距的方式减小线圈上分布电容，提高传感器的谐振频率。同时在传感器放大电路上选用低噪声放大器件，减小电路噪声。
3 数据处理
图4 数据处理流程
相当直观的表达方式，比流程框图好理解
3.1 天电噪声去除
天电噪声是由闪电活动引起的短时电磁信号，在天电活动较弱的时间或地区采集的电磁信号可以通过周期信号的叠加加以去除，在天电活动较强的时间或地区采集的电磁信号可以通过裁剪法对天电噪声加以去除。
将空中采集的惯导数据与地面基站数据做后差分处理，将处理后的惯导数据分为姿态数据和GPS位置信息两部分，分别用于姿态校正和数据反演。处理后的姿态数据包含三个分量姿态角变化，分别为δY、δP和δR分别代表传感器吊舱在航向、俯仰和横滚三个方向的变化角度。引入姿态旋转矩阵R，利用公式H=RH′，其中H为旋转后矩阵或实际采集数据，H′为被旋转矩阵或姿态校正后数据。R表达式为：
3.3 运动噪声去除
运动噪声去除使用集合经验模态分解（Ensemble Empirical Mode Decom-position，EEMD）方法，利用EEMD方法将采集的电磁信号分解为N阶本征模式函数（Intrinsic Mode Function，IMF）和残余函数（Residual function）之和。识别与运动噪声具有相同频谱特征的IMF分量并去除，将剩余IMF分量和残余函数进行重构，从而获得去噪后的信号。
3.4 抽道滤波
电磁信号叠加能够有效的去除接收信号中的工业频率和随机噪声的干扰，S-ATEM系统的飞行速度为15m/s，常用发射频率为12.5Hz。在人文噪声干扰较小的地方，几至十几个周期的叠加就能够获得比较好的数据，对应几米至十几米的水平分辨率。在人文噪声干扰较大的地方可以适当的增加叠加次数至几十次，相应的水平分辨率也增加为几十米。将叠加后的数据进行等对数间隔抽道，获得衰减曲线，然后将衰减曲线进行中值滤波平滑。
3.5 一维Occam反演
Occam反演是一种基于光滑模型的数据反演方法，在电磁数据反演中得到了广泛的应用，反演结果稳定可靠。将实测衰减曲线与理论曲线进行拟合，从而获得地下介质的电阻率分布。
4 飞行测试
4.1 区域地质资料
莲花山铁矿位于昌邑-安丘成矿带中部，铁矿体赋存于古元古代粉子山群小宋组中，属于火山沉积变质型铁矿床。该地区地层呈近似层状构造，上覆层为50~150m厚的第四纪覆盖层，中间层主要以黑云变粒岩为主，层厚100~250m，层中穿插层状、似层状和透镜状铁矿体，基底层为花岗岩层。
图5 试验区域地质概况
莲花山矿区矿石以磁铁矿为主，含少量伴生性矿物，矿体磁异常较强。矿体电阻率与围岩电阻率差异不明显，但与基底侵入的花岗岩体电阻率差异较大，界线清晰。
4.2 数据采集
基于无人机载的半航空瞬变电磁勘探系统先后进行了多次系统集成调试与优化飞行试验，取得了大量的试验数据。试验数据处理与分析结果表明，本系统能够有效的反应地下介质电阻率的变化情况。2016年1月，S-ATEM系统项目组在山东昌邑莲花山铁矿区附近进行了勘探飞行试验，获得了准确可靠的三分量数据。本次飞行试验共设计12条测线，自西至东分别命名为A~L，每条测线长度3km，测线间距200m，测线总长度约36测线千米，覆盖测区面积约6.6km2。发射线长度2.7km，发射波形为50%占空比双极性方波，发射频率为6.25Hz，发射电流20A。接收机采样率48kHz，惯导系统采样率400Hz，吊舱平均飞行高度115m，吊舱飞行速度15m/s，发射源位置及飞行航迹如图6所示。
图6 S-ATEM系统飞行测量及飞行航迹信息
试验区域位于人口稠密区，人文干扰较强，实测电磁信号中噪声干扰较大（图7）。吊舱在飞行过程中受气流影响会产生角度变化（图8），从三个姿态角度的变化幅度来看，传感器吊舱在飞行过程中较好的保持了比较平稳的飞行姿态，证明传感器在气动性设计方面达到了很好的效果。
图7 实测电磁信号
(a)X分量；(b)Y分量；(c)Z分量。
图8 姿态角度变化
如图6所示，测线F中段有三个已知钻孔ZK57、ZK56、ZK54，钻孔剖面图如图9所示，该剖面地下介质呈近似层状分布，第一层为第四纪覆盖物，厚度约50m，主要成分为粘土和含砾石粘土；第二层为黑云变粒岩和含石榴石黑云变粒岩，岩层整体略有倾斜，其中在ZK57附近岩层厚度约为160m，在ZK54附近岩层厚度约为210m，在该岩层底部有多层矿体穿插；第三层为花岗岩体，该岩体与第二层岩体界线清晰，岩体总体呈现北高南低的趋势。
图9 莲花山铁矿区5号勘探线中段剖面
本文选择测线F中段长度为500m剖面进行一维反演，飞行航迹表明该电阻率剖面与上述三个钻孔位置吻合较好。电阻率剖面如图10所示，与实际地质情况较为吻合，根据电阻率变化自上而下可分为四层，第一层自地表至地下50m，电阻率大约10~30Ω·m，与第四纪覆盖物特征吻合；第二层自地下50m至地下130~150m，电阻率大约30~60Ω·m；第三层自地下130~150至地下200~250m，电阻率变化在10~40Ω·m之间；第三层与第四层界线较为清晰，主要是因为矿体与下部基岩电阻率差异较大，而由于上面三层电阻率差异较小，导致地层界线较为模糊。
图10 莲花山铁矿区F线电阻率剖面
由勘探剖面与电阻率剖面可知，电阻率剖面能够较好的反映地下介质的分层特征，对电性分界面的反映较为明显。
5.1 S-ATEM系统解决了现有无人机系统存在的航时短、效率低、探深浅等问题，在国内率先实现了具有长航时、多分量和大探深的无人机半航空瞬变电磁系统的研发与集成。在国内率先完成了面积性应用试验，获得了高精度、高质量的三分量航空瞬变电磁勘探数据，全面验证了S-ATEM系统的实用性、稳定性和有效性。
5.2 通过多次的野外飞行试验可得到如下的结论：
（1）S-ATEM系统采用接地导线作为发射场源，提高了发射功率，因此可以实现较大的勘探深度，同时又能够保证较高的工作效率；
（2）S-ATEM系统能够有效的反映地下电阻率的变化和差异，对电性分界面反映较为明显；
（3）S-ATEM系统采用三轴矢量磁场传感器，同时采集三分量磁场信息，因此急需实现二维甚至三维数据处理方法；
（4）无人机系统地形适应能力及紧急避障能力仍有待进一步提高，通过安全的降低飞行高度可进一步获得更大的勘探范围和勘探深度；
（5）S-ATEM系统在发射波形控制、接收系统气动性能、数据处理与反演解释方面仍有很大的优化空间。
