田達志，楊柳，郭喆，楊望，林曼曼，劉建霞

(中國冶金地質(zhì)總局地球物理勘查院，河北 保定 071051)

0 引言

航空電磁測量技術(shù)經(jīng)過了70多年的發(fā)展，已經(jīng)研發(fā)出固定翼航空電磁測量系統(tǒng)和直升機航空測量系統(tǒng)。20世紀(jì)90年代，直升機的發(fā)動機功率增大，使得直升機航空電磁測量系統(tǒng)的大功率發(fā)射成為可能；新的數(shù)字技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)技術(shù)的廣泛應(yīng)用，使航空電磁系統(tǒng)的電子設(shè)備及收錄系統(tǒng)向小型化、輕量化發(fā)展，航空電磁測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自動化程度得到保障，特別是時間域直升機航空電磁測量發(fā)展迅速，成為當(dāng)前航空電磁測量的主流系統(tǒng)[1-2]。在應(yīng)用領(lǐng)域，航空電磁測量技術(shù)不僅在地質(zhì)找礦工作中發(fā)揮重要作用，在工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境評估等領(lǐng)域也得到推廣和應(yīng)用。

我國自20世紀(jì)70年開始研究航空電磁測量，原地礦部物化探研究所在80年代中期到90年代初在膠東地區(qū)開展了金礦普查飛行[3]。近年，我國航電測量技術(shù)再次得到發(fā)展，開始引進國外的航空電磁測量技術(shù)。2011年，中調(diào)局航遙中心引進了加拿大的AeroTEM-Ⅳ系統(tǒng)，完成了多個生產(chǎn)飛行任務(wù)。2013年，中國冶金地質(zhì)總局物勘院從加拿大引進了TS150時間域航空瞬變電磁測量系統(tǒng)(HTEM)后，也開展了多個航空瞬變電磁測量項目。而核工業(yè)航測遙感中心則采用與加拿大Geotech公司合作方式，在我國開展了航空瞬變電磁測量工作[4]。殷長春、王緒本[5]、陳斌、王衛(wèi)平[6]、羅延鐘等[7]對航空電磁勘探技術(shù)相關(guān)理論進行了研究。我國的航空電磁測量工作中尚有技術(shù)環(huán)節(jié)還需完善，一些技術(shù)問題也需及時研究和解決。比如在數(shù)據(jù)處理過程中高度校正的方法及技術(shù)要求、是否開展姿態(tài)校正等問題，仍處于探討和研究中。本文以TS150航空瞬變電磁系統(tǒng)為例，進行測量數(shù)據(jù)的校正。

TS150航空瞬變電磁系統(tǒng)要求測量過程中吊艙離地大約30 m高度上保持平飛，系統(tǒng)各部分的主要技術(shù)參數(shù)為：①硬架式發(fā)射線圈，直徑8.5 m，線圈7匝；②最大發(fā)射偶極矩為155000 Am2；③發(fā)射電流波形為雙極性正三角波(圖1)；④發(fā)射線圈拖纜長度為55 m。通過野外生產(chǎn)測量工作發(fā)現(xiàn)，測量過程中吊艙難以保持在離地約30 m的高度狀態(tài)下平穩(wěn)飛行，飛行測量時吊艙(或地形)產(chǎn)生上下起伏或左右擺動，其與地面的耦合關(guān)系隨之發(fā)生變化，這種由于飛行高度和姿態(tài)的改變引起的干擾異常，與淺表環(huán)境下的低阻目標(biāo)地質(zhì)體異常疊加在一起難以區(qū)分，給航空電磁測量的異常解釋工作造成不便。因此有必要通過數(shù)據(jù)校正來消除這類干擾異常。

圖1 航空瞬變電磁系統(tǒng)發(fā)射電流波形圖Fig.1 Waveform of emission current from airborne transient electromagnetic system

1 數(shù)據(jù)校正的理論基礎(chǔ)

在實際生產(chǎn)飛行中，由于地形起伏或地面障礙物的存在，測線飛行過程中吊艙離地高度存在較大的變化，因此會引起電磁響應(yīng)信號的強弱變化。此外，受起伏飛行、氣流、飛行速度變化等因素的影響，通過吊繩與飛機之間軟連接的吊艙會發(fā)生擺動、傾斜、偏航等變化，導(dǎo)致收發(fā)線圈的飛行方向和姿態(tài)相對正常飛行條件發(fā)生改變。吊艙中的收發(fā)線圈與地面的耦合關(guān)系發(fā)生改變，必然會改變電磁響應(yīng)信號的強弱。測量系統(tǒng)電磁響應(yīng)信號的強弱變化而產(chǎn)生的干擾異常在實際測量中是非常明顯的，尤其是地表巖石的電阻率較低時能引起明顯的干擾異常。為了排除這些干擾因素、獲取地質(zhì)體的真實航電信息，需要進一步完善航空電磁測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)。

在飛行測量過程中，由于存在吊艙離地高度的變化和吊艙姿態(tài)的變化，實測數(shù)據(jù)完成背景場去除、天電場去除等環(huán)節(jié)之后，還需要進行高度校正和姿態(tài)校正，消除吊艙高度及姿態(tài)變化的影響。近年來，我國在航空電磁測量領(lǐng)域開展了大量的研究，為航空電磁測量工作建立了較好的理論基礎(chǔ)，也是進行航空電磁測量數(shù)據(jù)高度校正和姿態(tài)校正的科學(xué)依據(jù)。依據(jù)有關(guān)理論中的航空電磁系統(tǒng)裝置分類，由TS150航空瞬變電磁系統(tǒng)組成可知該系統(tǒng)采用水平共面(HCP)構(gòu)架，因為一般離地高度在30 m以上，發(fā)射線圈直徑8.5 m，接收線圈直徑0.8 m，收發(fā)線圈距<3 m，收發(fā)線圈的尺寸相對于距地面的高度較小，可以近似看成磁偶極子源。

1.1 高度校正

依據(jù)平面電磁波的空中傳播理論[8]，在無限均勻介質(zhì)中傳播方程為

(1)

把解寫成沿Z軸正方向行進的平面波

E=E0ei(kz-wt))

依據(jù)感應(yīng)電磁法理論基礎(chǔ)[8]，電流源遠離場源的衰減公式為

Ax, y, z=Cx, y, ze-kz

對其Ex分量求解

Ex=ωμCxe-bze-i(ωt+ax-π/2)

(2)

其振幅和相位分別為

|Ex|=ωμCxe-bz，φ(t)=ωt+αz-π/2

其中，b為衰減系數(shù)，a為相位系數(shù)。

在電磁場理論基礎(chǔ)上，傅良魁[8]指出，頻率域電磁場在地面下隨深度的衰減規(guī)律為按指數(shù)規(guī)律衰減，即：Ex(ω)=Ex0(ω)e-kz(其中E20(ω)=ωμCz0)，這與沿空中Z軸方向平面波方程的衰減規(guī)律是一致的。而在分析航空瞬變電磁法的衰減規(guī)律時，傅良魁[8]、李金銘[9]基于原長春地質(zhì)學(xué)院M-1瞬變航電儀測量試驗的基礎(chǔ)上，均指出“由于航電瞬變場的復(fù)雜性，瞬變衰減規(guī)律很難用一種數(shù)學(xué)式表達。但一般可近似地用指數(shù)規(guī)律描述”。王衛(wèi)平等[6]也提出均勻大地上方各種裝置的頻率域航空電磁響應(yīng)與飛行高度之間的衰變?yōu)榻浦笖?shù)的關(guān)系。

TS150航空瞬變電磁系統(tǒng)發(fā)射電流波形為三角波，三角波的傅里葉級數(shù)為

(3)

從公式(3)可以看出，三角波瞬變場源的3次諧波的電壓幅值只有基波的1/9，5次諧波的電壓幅值只有基波的1/25。電磁波的能量與其電壓幅值的平方成正比，所以三角波瞬變場的能量主要是基波，3次諧波的能量只有基本的1/81，其他諧波則更小，所有諧波能量占比應(yīng)不到10%。在測量吊艙的離地高度遠小于基波的波長時，其衰減計算過程中用基波衰減系數(shù)計算引起的誤差應(yīng)<10%，因此，三角波電磁場源與頻率域電磁場的衰減規(guī)律相近似。TS150航空瞬變電磁測量系統(tǒng)的電磁響應(yīng)信號也可以認(rèn)為是隨著吊艙離地高度的變化呈現(xiàn)近似指數(shù)規(guī)律衰減的，為了簡便快速計算吊艙離地高度的衰減系數(shù)，高度校正系數(shù)可采用指數(shù)衰減規(guī)律

Ex(ω)=Ex0(ω)e-kz

進行計算(式中，z為離地高度)。

為了分析對比吊艙離地高度對電磁響應(yīng)信號的具體影響，根據(jù)航空電磁測量項目野外飛行測量的實際情況，以均勻水平層狀介質(zhì)上方30 m(離地高度)作為起伏飛行測量模型的參考基準(zhǔn)，設(shè)計飛機沿測線路徑無偏航飛行為前提下的2種情況：一種是在距離為400 m的飛行中完成±10 m的縱向起伏(圖2a)，一種是在距離為1700 m飛行中完成170 m的單調(diào)性爬升(圖2b)，并測量不同情況下的吊艙離地高度和電磁場強度衰減變化。從圖2可見，遠離地面時感應(yīng)電動勢逐漸減小且衰減速率放緩，趨近地面時感應(yīng)電動勢逐漸增大且增益速率較快。這種飛行測量高度的起伏將導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)與水平飛行測量數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大偏差，形成干擾航電異常，為消除這種測量線圈離地高度變化的影響，把每條測線的實測數(shù)據(jù)按一定衰減規(guī)律統(tǒng)一較正到一個高度上來，稱之為高度較正。

圖2 不同飛行距離和飛行狀態(tài)的電磁場強度衰減變化圖Fig.2 Electromagnetic field intensity decay diagram of flying at different length and situationa.飛行距離400 m起伏±10 m的電磁場強度衰減變化圖；b.飛行距離1700 m單調(diào)性爬升170 m的電磁場強度衰減變化圖

1.2 姿態(tài)校正

由于飛行狀態(tài)的調(diào)整及短時氣流的影響，吊艙在飛行中會發(fā)生擺動、傾斜、偏航等變化(圖3)，導(dǎo)致吊艙的飛行方向和姿態(tài)相對正常飛行條件發(fā)生改變，收發(fā)線圈與地面之間不再是平行關(guān)系，其耦合關(guān)系也隨之發(fā)生變化，由于吊艙姿態(tài)的改變造成了測量數(shù)據(jù)一定程度上的失真。殷長春[1]分析了直升機航空電磁測量裝置的姿態(tài)對測量的影響，認(rèn)為r/δ和r/h的比值很小時，感應(yīng)效應(yīng)部分的變化很小，總姿態(tài)效應(yīng)逼近幾何效應(yīng)。其中，r為收發(fā)距(TS150約為3 m)，h為離地高度(一般為30 m)，δ為電磁場的趨膚深度函數(shù)。水平共面裝置(HCP)雙旋轉(zhuǎn)有無姿態(tài)效應(yīng)時的接收機響應(yīng)之比公式為

圖3 航空瞬變電磁系統(tǒng)吊艙姿態(tài)變化示意圖Fig.3 Sketch showing attitude variation of airborne transient electromagnetic system

V(α,β)/V(0, 0)=0.5(1+cos2αcos2β)

(4)

式中，α為擺動角，β為傾斜角。

航空電磁測量項目一般要求飛行速度為90 km/h勻速平飛，保持吊艙與地面為平行狀態(tài)。因為飛機和吊艙之間是通過吊繩進行軟連接的，由于飛行的起伏、氣流的變化，吊艙姿態(tài)也會隨之發(fā)生改變。為了分析對比吊艙姿態(tài)的具體影響，根據(jù)航空電磁測量項目野外飛行測量中的實際情況，以均勻水平層狀介質(zhì)上方飛行為基準(zhǔn)，假設(shè)飛行狀態(tài)改變，吊艙發(fā)生了擺動(α)和俯仰(β)2種情況，其角度變化一般<20°。采用有姿態(tài)效應(yīng)時接收機響應(yīng)公式進行模擬計算，根據(jù)公式(4)計算結(jié)果繪制擬合圖(圖4)吊艙擺動角與傾角的幾何效應(yīng)進行等值色階2維擬合，可以看出吊艙的擺角和傾角變化影響電磁響應(yīng)信號的幅值和變化速率。吊艙(即收發(fā)線圈俯仰或擺動)姿態(tài)角度為20°時響應(yīng)系數(shù)為0.94，即非平穩(wěn)飛行時的電磁響應(yīng)比平穩(wěn)飛行時電磁響應(yīng)減少6%，當(dāng)二者同時發(fā)生時能使響應(yīng)信號衰減10%左右，引入的誤差將對測量結(jié)果產(chǎn)生一定的影響，需要對飛行測量中的吊艙姿態(tài)變化進行測量并校正處理。

圖4 姿態(tài)效應(yīng)的幾何效應(yīng)等值色階2維擬合圖Fig.4 2D fitting diagram of geometric effect of attitude effect equivalent color scale

2 實測數(shù)據(jù)的校正效果分析

為檢驗這2種數(shù)據(jù)校正處理后的實際效果，本文以實測的江淮地區(qū)某項目航電數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，進行數(shù)據(jù)校正比較分析。該地區(qū)水系發(fā)育，淺表以第四系或新近系的洪坡積泥沙地層為主，地層的電阻率值一般為50～100 Ω·m，地勢平坦，但人文建筑物較多，測量過程中存在隨時因避讓地物的起伏飛行，形成了干擾異常，需進行高度校正，高度校正變化系數(shù)為k=h/30(h為吊艙離地高度)。需要指出的是，吊艙高度變化與姿態(tài)變化不是孤立的，二者往往是同時發(fā)生的，因此需要對航空電磁測量數(shù)據(jù)同時進行2種校正。

目前我國引進的航空電磁測量系統(tǒng)只裝備了高度測量設(shè)備，沒有姿態(tài)測量設(shè)備，吊艙的離地飛行高度可以通過雷達高度計測量獲得，航空電磁測量系統(tǒng)并不能直接測得姿態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)。為了對比分析校正處理對測量數(shù)據(jù)的改善效果，可考慮通過數(shù)學(xué)計算方式來獲得吊艙姿態(tài)的近似參數(shù)值，模擬姿態(tài)校正效果?？紤]到飛機以90 km/h的速度平飛，吊艙平臺為相對水平靜止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)發(fā)生飛行高度起伏時，由于吊艙上導(dǎo)流板的影響，吊艙的飛行姿態(tài)與其飛行起伏坡度相近，可以用飛行起伏的坡度近似替代吊艙的傾角β，忽略擺動角α的變化值，姿態(tài)校正公式變?yōu)?/p>

V(α,β)/V(0, 0)=0.5(1+cos2β)

(5)

下面以350線和1000線2條實測曲線為例，對飛行高度起伏不大和起伏較大的2種情況進行分析，比較只開展高度校正的效果和2種數(shù)據(jù)校正都開展的效果。

2.1 350線數(shù)據(jù)校正

350線飛行時的吊艙平均飛行高度為47 m，最低高度為27 m，最大高度為82 m。雖然地形平整，但由于地面障礙物的存在，直升機在飛行過程中吊艙出現(xiàn)明顯的起伏變化，吊艙離地高度采用直升機底部的雷達高度計測量數(shù)據(jù)減48 m(纜繩長55 m，纜繩正常飛行時傾角約20°)。

從吊艙離地高度剖面(圖5a)與斷電時間垂直分量Zoff-dB/dt電磁道堆積剖面(圖5b)對比可以看出，二者存在明顯的鏡像對應(yīng)關(guān)系，有3處異常，基本可以判斷為飛行起伏引起的電磁響應(yīng)強度差異，形成了干擾異常，因此需要對測量數(shù)據(jù)進行高度校正。吊艙高度變化采用指數(shù)衰減規(guī)律公式、姿態(tài)變化采用傾角β變化公式進行校正處理。以離地高度30 m為基準(zhǔn)進行高度校正，從校正結(jié)果(圖5c)可見，3處異常均已不明顯，低緩部位抬高，Z6道18000點處值與平均值比由689/490變?yōu)?41/532，18500點處值與平均值比由241/490變?yōu)?89/532。數(shù)據(jù)完成高度校正和姿態(tài)校正的結(jié)果(圖5d)顯示，不同測線段的異常差進一步縮小，Z6道18000點處值與平均值比變?yōu)?18/521，18500點處值與平均值比變?yōu)?93/521(表1)。從校正結(jié)果看，進行高度校正能消除掉該測線吊艙飛行參數(shù)變化引起的大部分影響，增加姿態(tài)校正后基本上消除了飛行參數(shù)變化的影響，干擾異常基本消失。

圖5 350線斷電時間垂直分量Zoff-dB/dt電磁道堆積剖面數(shù)據(jù)校正對比圖Fig.5 Diagram showing correction of data of vertical component power-off time Zoff-dB/dt electromagnetic channel stacking profile along line 350a.吊艙離地高度剖面；b.實測電磁道堆積剖面；c.高度校正后電磁道堆積剖面；d.高度校正及姿態(tài)校正后電磁道堆積剖面

表1 垂直分量Zoff-dB/dt電磁道剖面第6道數(shù)據(jù)校正前后對比Table 1 Comparison of data of channel 6 (at vertical component Zoff-dB/dt electromagnetic section) before and after the correction

2.2 1000線數(shù)據(jù)校正

在1000線飛行時，吊艙平均飛行高度為118 m，最低高度為43 m，最大高度為175 m。該測線地形與350線一樣平坦，但地面障礙物更為高大，引起了更大的電磁響應(yīng)強度差異。與350線一樣，從吊艙離地高度剖面(圖6a)與斷電時間垂直分量Zoff-dB/dt電磁道堆積剖面(圖6b)對比可以看出，兩者之間也存在明顯的鏡像對應(yīng)關(guān)系，在41200點附近存在1處強異常。以離地高度30 m為基準(zhǔn)進行高度校正，校正結(jié)果(圖6c)中原有的異常基本消失，而在41200點左側(cè)形成相對較高的場，Z6道40800點處值與平均值比由142/183變?yōu)?89/753，41200點處值與平均值比由746/183變?yōu)?87/753；在42000點附近各道數(shù)據(jù)值均很小，形成1處低谷，Z6道42000點處值與平均值比由0.9/183變?yōu)?6/753。在數(shù)據(jù)完成高度校正和姿態(tài)校正的結(jié)果(圖6d)中，Z6道41200點處值與平均值比變?yōu)?53/827，變化不明顯；在40800點附近出現(xiàn)1處較弱異常，Z6道40800點處值與平均值比變?yōu)?196/827；42000點附近的低谷處基本上校正到正常背景值，Z6道42000點處值與平均值比為746/827。從校正結(jié)果看，進行高度校正后該測線吊艙飛行參數(shù)變化引起的異常基本消失，但在42000點附近仍然存在剖面曲線的畸變，高度校正后42000點的值仍僅為背景值的3.5%，增加姿態(tài)校正后42000點的值為平均值的90.2%，該點附近的畸變基本上消除了。

圖6 1000線斷電時間垂直分量Zoff-dB/dt電磁道堆積剖面數(shù)據(jù)校正對比圖Fig.6 Diagram showing data correction of vertical component time-off Zoff-dB/dt electromagnetic channel stacking profile along line 1000a.吊艙離地高度剖面；b.實測電磁道堆積剖面；c.高度校正后電磁道堆積剖面；d.高度及姿態(tài)校正后電磁道堆積剖面

通過350線和1000線的斷電時間垂直分量Zoff-dB/dt電磁道堆積剖面校正對比分析可知，在地表蓋層電阻率低的地區(qū)因為飛行參數(shù)的變化可形成干擾異常，進行高度校正后能明顯減小干擾異常強度。目前我國引進的航空電磁測量系統(tǒng)具備測量高度的設(shè)備，可以獲得高度數(shù)據(jù)開展高度校正，然而僅僅進行高度校正并不能完全校正飛行測量過程中姿態(tài)參數(shù)變化對電磁響應(yīng)的影響。從1000線電磁道堆積剖面圖看，即使進行了高度校正，42000點附近各道的值與背景值仍然只恢復(fù)到平均值的3.5%，存在很大的偏差，但該處與周圍的高度相差并不大，可見姿態(tài)對電磁響應(yīng)產(chǎn)生了很大的影響。350線在進行高度校正后，18500點附近各道的值與背景值仍存在一些偏差，因此僅進行高度校正是不夠的。通過高度校正及姿態(tài)校正，1000線的值可以達到背景值的90%，因此，進行上述2項校正后，可以使測量數(shù)據(jù)基本消除飛行參數(shù)變化的影響，校正前后效果對比見表1。雖然缺乏吊艙姿態(tài)測量的數(shù)據(jù)，但通過飛行坡度計算的傾角數(shù)據(jù)可以比較準(zhǔn)確地校正沿測線方向的姿態(tài)變化影響，因此開展測線數(shù)據(jù)的姿態(tài)測量及校正是非常有必要的。

3 結(jié)語

利用航空電磁測量系統(tǒng)開展地質(zhì)找礦、工程地質(zhì)測量、環(huán)境調(diào)查等工作，速度快、成本低、受地面工作條件影響小，適合開展面積性的電法勘查工作，因此進一步完善我國航空電磁法的勘探技術(shù)具有積極意義。但是我國航空物探隊伍開展的生產(chǎn)測量工作還有限，實際運用中存在的問題仍需工程技術(shù)人員結(jié)合相關(guān)理論進一步改進測量系統(tǒng)，完善測量技術(shù)方法及手段。通過對江淮某地區(qū)實測航空電磁剖面數(shù)據(jù)的校正計算效果分析，對航空電磁測量數(shù)據(jù)處理有如下幾點認(rèn)識：

(1)在地表蓋層電阻率較低地區(qū)，航空瞬變電磁測量吊艙的離地高度、姿態(tài)變化能引起明顯的干擾航電異常，通過吊艙的離地高度剖面與實測斷電時間垂直分量Zoff-dB/dt電磁道堆積剖面對比可以得到一些直觀的判斷，排除部分干擾異常。然而當(dāng)這些吊艙參數(shù)變化較大時，簡單直觀的分析可能會錯漏一部分有效地質(zhì)體異常，需要對測量的原始數(shù)據(jù)進行校正處理，排除干擾異常。

(2)從傅里葉級數(shù)理論分析，三角波場源的航空瞬變電磁測量系統(tǒng)高度衰減校正可以采用近似指數(shù)衰減規(guī)律來計算衰減系數(shù)。

(3)測線飛行過程中存在吊艙離地高度及姿態(tài)變化，而且這兩種參數(shù)變化往往是同時發(fā)生的，僅僅開展高度測量及數(shù)據(jù)校正仍然存在不足，建議在開展航空瞬變電磁測量時，同時開展吊艙的姿態(tài)測量與數(shù)據(jù)校正處理。