航空瞬变电磁TS150测量数据的校正分析

田达志，杨柳，郭喆，杨望，林曼曼，刘建霞

(中国冶金地质总局地球物理勘查院，河北 保定 071051)

0 引言

航空电磁测量技术经过了70多年的发展，已经研发出固定翼航空电磁测量系统和直升机航空测量系统。20世纪90年代，直升机的发动机功率增大，使得直升机航空电磁测量系统的大功率发射成为可能；新的数字技术和计算机数据技术的广泛应用，使航空电磁系统的电子设备及收录系统向小型化、轻量化发展，航空电磁测量系统的稳定性和自动化程度得到保障，特别是时间域直升机航空电磁测量发展迅速，成为当前航空电磁测量的主流系统[1-2]。在应用领域，航空电磁测量技术不仅在地质找矿工作中发挥重要作用，在工程地质、水文地质、环境评估等领域也得到推广和应用。

我国自20世纪70年开始研究航空电磁测量，原地矿部物化探研究所在80年代中期到90年代初在胶东地区开展了金矿普查飞行[3]。近年，我国航电测量技术再次得到发展，开始引进国外的航空电磁测量技术。2011年，中调局航遥中心引进了加拿大的AeroTEM-Ⅳ系统，完成了多个生产飞行任务。2013年，中国冶金地质总局物勘院从加拿大引进了TS150时间域航空瞬变电磁测量系统(HTEM)后，也开展了多个航空瞬变电磁测量项目。而核工业航测遥感中心则采用与加拿大Geotech公司合作方式，在我国开展了航空瞬变电磁测量工作[4]。殷长春、王绪本[5]、陈斌、王卫平[6]、罗延钟等[7]对航空电磁勘探技术相关理论进行了研究。我国的航空电磁测量工作中尚有技术环节还需完善，一些技术问题也需及时研究和解决。比如在数据处理过程中高度校正的方法及技术要求、是否开展姿态校正等问题，仍处于探讨和研究中。本文以TS150航空瞬变电磁系统为例，进行测量数据的校正。

TS150航空瞬变电磁系统要求测量过程中吊舱离地大约30 m高度上保持平飞，系统各部分的主要技术参数为：①硬架式发射线圈，直径8.5 m，线圈7匝；②最大发射偶极矩为155000 Am2；③发射电流波形为双极性正三角波(图1)；④发射线圈拖缆长度为55 m。通过野外生产测量工作发现，测量过程中吊舱难以保持在离地约30 m的高度状态下平稳飞行，飞行测量时吊舱(或地形)产生上下起伏或左右摆动，其与地面的耦合关系随之发生变化，这种由于飞行高度和姿态的改变引起的干扰异常，与浅表环境下的低阻目标地质体异常叠加在一起难以区分，给航空电磁测量的异常解释工作造成不便。因此有必要通过数据校正来消除这类干扰异常。

图1 航空瞬变电磁系统发射电流波形图Fig.1 Waveform of emission current from airborne transient electromagnetic system

1 数据校正的理论基础

在实际生产飞行中，由于地形起伏或地面障碍物的存在，测线飞行过程中吊舱离地高度存在较大的变化，因此会引起电磁响应信号的强弱变化。此外，受起伏飞行、气流、飞行速度变化等因素的影响，通过吊绳与飞机之间软连接的吊舱会发生摆动、倾斜、偏航等变化，导致收发线圈的飞行方向和姿态相对正常飞行条件发生改变。吊舱中的收发线圈与地面的耦合关系发生改变，必然会改变电磁响应信号的强弱。测量系统电磁响应信号的强弱变化而产生的干扰异常在实际测量中是非常明显的，尤其是地表岩石的电阻率较低时能引起明显的干扰异常。为了排除这些干扰因素、获取地质体的真实航电信息，需要进一步完善航空电磁测量数据处理技术。

在飞行测量过程中，由于存在吊舱离地高度的变化和吊舱姿态的变化，实测数据完成背景场去除、天电场去除等环节之后，还需要进行高度校正和姿态校正，消除吊舱高度及姿态变化的影响。近年来，我国在航空电磁测量领域开展了大量的研究，为航空电磁测量工作建立了较好的理论基础，也是进行航空电磁测量数据高度校正和姿态校正的科学依据。依据有关理论中的航空电磁系统装置分类，由TS150航空瞬变电磁系统组成可知该系统采用水平共面(HCP)构架，因为一般离地高度在30 m以上，发射线圈直径8.5 m，接收线圈直径0.8 m，收发线圈距<3 m，收发线圈的尺寸相对于距地面的高度较小，可以近似看成磁偶极子源。

1.1 高度校正

依据平面电磁波的空中传播理论[8]，在无限均匀介质中传播方程为

(1)

把解写成沿Z轴正方向行进的平面波

E=E0ei(kz-wt))

依据感应电磁法理论基础[8]，电流源远离场源的衰减公式为

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

对其Ex分量求解

Ex=ωμCxe-bze-i(ωt+ax-π/2)

(2)

其振幅和相位分别为

|Ex|=ωμCxe-bz，φ(t)=ωt+αz-π/2

其中，b为衰减系数，a为相位系数。

在电磁场理论基础上，傅良魁[8]指出，频率域电磁场在地面下随深度的衰减规律为按指数规律衰减，即：Ex(ω)=Ex0(ω)e-kz(其中E20(ω)=ωμCz0)，这与沿空中Z轴方向平面波方程的衰减规律是一致的。而在分析航空瞬变电磁法的衰减规律时，傅良魁[8]、李金铭[9]基于原长春地质学院M-1瞬变航电仪测量试验的基础上，均指出“由于航电瞬变场的复杂性，瞬变衰减规律很难用一种数学式表达。但一般可近似地用指数规律描述”。王卫平等[6]也提出均匀大地上方各种装置的频率域航空电磁响应与飞行高度之间的衰变为近似指数的关系。

TS150航空瞬变电磁系统发射电流波形为三角波，三角波的傅里叶级数为

(3)

从公式(3)可以看出，三角波瞬变场源的3次谐波的电压幅值只有基波的1/9，5次谐波的电压幅值只有基波的1/25。电磁波的能量与其电压幅值的平方成正比，所以三角波瞬变场的能量主要是基波，3次谐波的能量只有基本的1/81，其他谐波则更小，所有谐波能量占比应不到10%。在测量吊舱的离地高度远小于基波的波长时，其衰减计算过程中用基波衰减系数计算引起的误差应<10%，因此，三角波电磁场源与频率域电磁场的衰减规律相近似。TS150航空瞬变电磁测量系统的电磁响应信号也可以认为是随着吊舱离地高度的变化呈现近似指数规律衰减的，为了简便快速计算吊舱离地高度的衰减系数，高度校正系数可采用指数衰减规律

Ex(ω)=Ex0(ω)e-kz

进行计算(式中，z为离地高度)。

为了分析对比吊舱离地高度对电磁响应信号的具体影响，根据航空电磁测量项目野外飞行测量的实际情况，以均匀水平层状介质上方30 m(离地高度)作为起伏飞行测量模型的参考基准，设计飞机沿测线路径无偏航飞行为前提下的2种情况：一种是在距离为400 m的飞行中完成±10 m的纵向起伏(图2a)，一种是在距离为1700 m飞行中完成170 m的单调性爬升(图2b)，并测量不同情况下的吊舱离地高度和电磁场强度衰减变化。从图2可见，远离地面时感应电动势逐渐减小且衰减速率放缓，趋近地面时感应电动势逐渐增大且增益速率较快。这种飞行测量高度的起伏将导致测量数据与水平飞行测量数据产生较大偏差，形成干扰航电异常，为消除这种测量线圈离地高度变化的影响，把每条测线的实测数据按一定衰减规律统一较正到一个高度上来，称之为高度较正。

图2 不同飞行距离和飞行状态的电磁场强度衰减变化图Fig.2 Electromagnetic field intensity decay diagram of flying at different length and situationa.飞行距离400 m起伏±10 m的电磁场强度衰减变化图；b.飞行距离1700 m单调性爬升170 m的电磁场强度衰减变化图

1.2 姿态校正

由于飞行状态的调整及短时气流的影响，吊舱在飞行中会发生摆动、倾斜、偏航等变化(图3)，导致吊舱的飞行方向和姿态相对正常飞行条件发生改变，收发线圈与地面之间不再是平行关系，其耦合关系也随之发生变化，由于吊舱姿态的改变造成了测量数据一定程度上的失真。殷长春[1]分析了直升机航空电磁测量装置的姿态对测量的影响，认为r/δ和r/h的比值很小时，感应效应部分的变化很小，总姿态效应逼近几何效应。其中，r为收发距(TS150约为3 m)，h为离地高度(一般为30 m)，δ为电磁场的趋肤深度函数。水平共面装置(HCP)双旋转有无姿态效应时的接收机响应之比公式为

图3 航空瞬变电磁系统吊舱姿态变化示意图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为摆动角，β为倾斜角。

航空电磁测量项目一般要求飞行速度为90 km/h匀速平飞，保持吊舱与地面为平行状态。因为飞机和吊舱之间是通过吊绳进行软连接的，由于飞行的起伏、气流的变化，吊舱姿态也会随之发生改变。为了分析对比吊舱姿态的具体影响，根据航空电磁测量项目野外飞行测量中的实际情况，以均匀水平层状介质上方飞行为基准，假设飞行状态改变，吊舱发生了摆动(α)和俯仰(β)2种情况，其角度变化一般<20°。采用有姿态效应时接收机响应公式进行模拟计算，根据公式(4)计算结果绘制拟合图(图4)吊舱摆动角与倾角的几何效应进行等值色阶2维拟合，可以看出吊舱的摆角和倾角变化影响电磁响应信号的幅值和变化速率。吊舱(即收发线圈俯仰或摆动)姿态角度为20°时响应系数为0.94，即非平稳飞行时的电磁响应比平稳飞行时电磁响应减少6%，当二者同时发生时能使响应信号衰减10%左右，引入的误差将对测量结果产生一定的影响，需要对飞行测量中的吊舱姿态变化进行测量并校正处理。

图4 姿态效应的几何效应等值色阶2维拟合图Fig.4 2D fitting diagram of geometric effect of attitude effect equivalent color scale

2 实测数据的校正效果分析

为检验这2种数据校正处理后的实际效果，本文以实测的江淮地区某项目航电数据为基础，进行数据校正比较分析。该地区水系发育，浅表以第四系或新近系的洪坡积泥沙地层为主，地层的电阻率值一般为50～100 Ω·m，地势平坦，但人文建筑物较多，测量过程中存在随时因避让地物的起伏飞行，形成了干扰异常，需进行高度校正，高度校正变化系数为k=h/30(h为吊舱离地高度)。需要指出的是，吊舱高度变化与姿态变化不是孤立的，二者往往是同时发生的，因此需要对航空电磁测量数据同时进行2种校正。

目前我国引进的航空电磁测量系统只装备了高度测量设备，没有姿态测量设备，吊舱的离地飞行高度可以通过雷达高度计测量获得，航空电磁测量系统并不能直接测得姿态参数数据。为了对比分析校正处理对测量数据的改善效果，可考虑通过数学计算方式来获得吊舱姿态的近似参数值，模拟姿态校正效果。考虑到飞机以90 km/h的速度平飞，吊舱平台为相对水平静止状态，当发生飞行高度起伏时，由于吊舱上导流板的影响，吊舱的飞行姿态与其飞行起伏坡度相近，可以用飞行起伏的坡度近似替代吊舱的倾角β，忽略摆动角α的变化值，姿态校正公式变为

V(α,β)/V(0, 0)=0.5(1+cos2β)

(5)

下面以350线和1000线2条实测曲线为例，对飞行高度起伏不大和起伏较大的2种情况进行分析，比较只开展高度校正的效果和2种数据校正都开展的效果。

2.1 350线数据校正

350线飞行时的吊舱平均飞行高度为47 m，最低高度为27 m，最大高度为82 m。虽然地形平整，但由于地面障碍物的存在，直升机在飞行过程中吊舱出现明显的起伏变化，吊舱离地高度采用直升机底部的雷达高度计测量数据减48 m(缆绳长55 m，缆绳正常飞行时倾角约20°)。

从吊舱离地高度剖面(图5a)与断电时间垂直分量Zoff-dB/dt电磁道堆积剖面(图5b)对比可以看出，二者存在明显的镜像对应关系，有3处异常，基本可以判断为飞行起伏引起的电磁响应强度差异，形成了干扰异常，因此需要对测量数据进行高度校正。吊舱高度变化采用指数衰减规律公式、姿态变化采用倾角β变化公式进行校正处理。以离地高度30 m为基准进行高度校正，从校正结果(图5c)可见，3处异常均已不明显，低缓部位抬高，Z6道18000点处值与平均值比由689/490变为641/532，18500点处值与平均值比由241/490变为489/532。数据完成高度校正和姿态校正的结果(图5d)显示，不同测线段的异常差进一步缩小，Z6道18000点处值与平均值比变为618/521，18500点处值与平均值比变为493/521(表1)。从校正结果看，进行高度校正能消除掉该测线吊舱飞行参数变化引起的大部分影响，增加姿态校正后基本上消除了飞行参数变化的影响，干扰异常基本消失。

图5 350线断电时间垂直分量Zoff-dB/dt电磁道堆积剖面数据校正对比图Fig.5 Diagram showing correction of data of vertical component power-off time Zoff-dB/dt electromagnetic channel stacking profile along line 350a.吊舱离地高度剖面；b.实测电磁道堆积剖面；c.高度校正后电磁道堆积剖面；d.高度校正及姿态校正后电磁道堆积剖面

表1 垂直分量Zoff-dB/dt电磁道剖面第6道数据校正前后对比Table 1 Comparison of data of channel 6 (at vertical component Zoff-dB/dt electromagnetic section) before and after the correction

2.2 1000线数据校正

在1000线飞行时，吊舱平均飞行高度为118 m，最低高度为43 m，最大高度为175 m。该测线地形与350线一样平坦，但地面障碍物更为高大，引起了更大的电磁响应强度差异。与350线一样，从吊舱离地高度剖面(图6a)与断电时间垂直分量Zoff-dB/dt电磁道堆积剖面(图6b)对比可以看出，两者之间也存在明显的镜像对应关系，在41200点附近存在1处强异常。以离地高度30 m为基准进行高度校正，校正结果(图6c)中原有的异常基本消失，而在41200点左侧形成相对较高的场，Z6道40800点处值与平均值比由142/183变为889/753，41200点处值与平均值比由746/183变为887/753；在42000点附近各道数据值均很小，形成1处低谷，Z6道42000点处值与平均值比由0.9/183变为26/753。在数据完成高度校正和姿态校正的结果(图6d)中，Z6道41200点处值与平均值比变为853/827，变化不明显；在40800点附近出现1处较弱异常，Z6道40800点处值与平均值比变为1196/827；42000点附近的低谷处基本上校正到正常背景值，Z6道42000点处值与平均值比为746/827。从校正结果看，进行高度校正后该测线吊舱飞行参数变化引起的异常基本消失，但在42000点附近仍然存在剖面曲线的畸变，高度校正后42000点的值仍仅为背景值的3.5%，增加姿态校正后42000点的值为平均值的90.2%，该点附近的畸变基本上消除了。

图6 1000线断电时间垂直分量Zoff-dB/dt电磁道堆积剖面数据校正对比图Fig.6 Diagram showing data correction of vertical component time-off Zoff-dB/dt electromagnetic channel stacking profile along line 1000a.吊舱离地高度剖面；b.实测电磁道堆积剖面；c.高度校正后电磁道堆积剖面；d.高度及姿态校正后电磁道堆积剖面

通过350线和1000线的断电时间垂直分量Zoff-dB/dt电磁道堆积剖面校正对比分析可知，在地表盖层电阻率低的地区因为飞行参数的变化可形成干扰异常，进行高度校正后能明显减小干扰异常强度。目前我国引进的航空电磁测量系统具备测量高度的设备，可以获得高度数据开展高度校正，然而仅仅进行高度校正并不能完全校正飞行测量过程中姿态参数变化对电磁响应的影响。从1000线电磁道堆积剖面图看，即使进行了高度校正，42000点附近各道的值与背景值仍然只恢复到平均值的3.5%，存在很大的偏差，但该处与周围的高度相差并不大，可见姿态对电磁响应产生了很大的影响。350线在进行高度校正后，18500点附近各道的值与背景值仍存在一些偏差，因此仅进行高度校正是不够的。通过高度校正及姿态校正，1000线的值可以达到背景值的90%，因此，进行上述2项校正后，可以使测量数据基本消除飞行参数变化的影响，校正前后效果对比见表1。虽然缺乏吊舱姿态测量的数据，但通过飞行坡度计算的倾角数据可以比较准确地校正沿测线方向的姿态变化影响，因此开展测线数据的姿态测量及校正是非常有必要的。

3 结语

利用航空电磁测量系统开展地质找矿、工程地质测量、环境调查等工作，速度快、成本低、受地面工作条件影响小，适合开展面积性的电法勘查工作，因此进一步完善我国航空电磁法的勘探技术具有积极意义。但是我国航空物探队伍开展的生产测量工作还有限，实际运用中存在的问题仍需工程技术人员结合相关理论进一步改进测量系统，完善测量技术方法及手段。通过对江淮某地区实测航空电磁剖面数据的校正计算效果分析，对航空电磁测量数据处理有如下几点认识：

(1)在地表盖层电阻率较低地区，航空瞬变电磁测量吊舱的离地高度、姿态变化能引起明显的干扰航电异常，通过吊舱的离地高度剖面与实测断电时间垂直分量Zoff-dB/dt电磁道堆积剖面对比可以得到一些直观的判断，排除部分干扰异常。然而当这些吊舱参数变化较大时，简单直观的分析可能会错漏一部分有效地质体异常，需要对测量的原始数据进行校正处理，排除干扰异常。

(2)从傅里叶级数理论分析，三角波场源的航空瞬变电磁测量系统高度衰减校正可以采用近似指数衰减规律来计算衰减系数。

(3)测线飞行过程中存在吊舱离地高度及姿态变化，而且这两种参数变化往往是同时发生的，仅仅开展高度测量及数据校正仍然存在不足，建议在开展航空瞬变电磁测量时，同时开展吊舱的姿态测量与数据校正处理。