半航空频率域电磁探测三分量线圈传感器设计

滕飞， 王鹏飞， 王宇， 张铭， 林君*

1 地球信息探测仪器教育部重点实验室， 长春 130061 2 吉林大学仪器科学与电气工程学院， 长春 130061

0 引言

由于半航空电磁探测方法(semi-airborne electromagnetic method， SAEM)具有信噪比高、探测深度大和采集方式灵活等优点(Nabighian，1988；Smith et al.，2001)，已被广泛应用于沿海水文地质调查、火山地质结构调查、矿产资源勘探和煤矿采空积水区勘查中(Mogi et al.，2009；Allah et al.，2014；Xue et al.，2018a；Ma et al.，2020；Guo et al.，2020；林君等，2021).半航空电磁探测的工作过程如图1所示，探测系统主要包括接地电极，空中接收装置和旋翼机飞行器.通过在地面布置一定长度(L)的导线源，发射特定波形的电流(I)，产生激发磁场(底青云等，2019；李貅等，2021；Geng et al.，2020)，激发磁场与地下目标体耦合后，会引起电磁异常，利用旋翼机吊载接收装置，记录垂直方向磁场响应，再经过数据处理及解释，实现对地下不同深度处电阻率(ρ)的探测(马振军等，2021；张铭等，2021).半航空电磁探测方法是一种大尺度探测方法，接地电源线的长度一般在0.5～5 km之间(Xue et al.，2015；何继善和薛国强，2018;Wu et al.，2019)，具体可根据实际探测需求进行调整.

图1 半航空电磁探测示意图

半航空电磁探测分为时间域和频率域两种探测方式，两种方式都是在激发磁场的作用下，利用传感器采集磁场信号实现探测目的.在进行时间域探测时二次场信号的幅度随时间衰减较快(嵇艳鞠等，2013；李貅等，2015；Xue et al.，2018b)，该方法适用于近源区探测(Xue et al.，2020; Wu et al.，2020a).与时间域方法不同，半航空频率域电磁探测方法在电流发射的同时采集多个谐波频率信号的幅度与相位，能够在远源区获得更大的探测深度和探测范围(Lin et al.，2019).由于需要高灵敏度地感应不同频率的探测信号，SAFEM探测时通常采用磁棒和空心线圈作为接收传感器.磁棒传感器是在空心线圈传感器中插入磁芯构成，具有灵敏度高和低频特性好的特点，但是容易受到空中低频运动噪声的影响而造成信号饱和(Wu et al.，2020b)，且磁芯重量较大不适合旋翼机携带，因此，空心线圈更适合作为半航空电磁探测传感器.目前已有商用空心线圈传感器应用在地面电磁探测领域，如加拿大凤凰地球物理公司的MulTEM传感器(林君等，2014)和Geonics公司的3D-3传感器(刘凯等，2014)等，其带宽和增益可以满足地面探测的要求，但是体积和重量不满足旋翼机载重要求，无法应用于空中接收，因此需要对空中传感器进行单独设计.Chen等2015年综合考虑了重量，有效面积和带宽等因素，设计了适合航空电磁探测的空心线圈传感器，并在2016年利用补偿结构降低了发射一次场带来的影响(Chen et al.，2015，2016).Chen S D等在2017年对空心线圈传感器的噪声情况进行了详细的分析，设计了一种带有屏蔽装置的差分线圈传感器，可有效提高信噪比(Chen et al.，2017).综合分析上述研究可以发现，现有的传感器多采取磁通补偿和优化措施，导致接收线圈尺寸和重量过大.此外，在低噪声传感器的设计方面，Yu等(2020)使用电容匹配方案替代电阻匹配，进一步降低噪声.但是，由于仅采用单方向布置的线圈，探测系统仅能接收到与地面垂直方向的磁场信号.

本文在上述空心线圈研究的基础上，针对传统单分量线圈无法采集到其他分量信号的问题，设计了一种三分量感应式空心线圈传感器(JLU-3D)，在保证接收灵敏度和准确性的前提下，通过摒弃磁芯结构降低总体线圈重量.对其中三组线圈的相对位置和线圈参数进行了设计，进一步有效优化传感器带宽，并降低三分量线圈之间互感带来的影响，同时可实现对三分量磁场信号进行接收.室内测试和野外实验结果验证了该传感器的有效性.

1 单分量线圈传感器的局限性

受旋翼机本身载重量的制约，半航空电磁探测一般将较小直径(一般不超过1 m)的线圈作为接收传感器，线圈平面与地面平行布设用以接收磁场的z分量，通过增加线圈匝数提高等效接收面积.然而，在半航空电磁探测系统中使用单分量线圈作为传感器时，存在以下问题.

1.1 传感器带宽不足

一般来说，如果接收线圈带宽过大，接收的信号中将包含较多的高频噪声干扰，信噪比会大幅度降低；如果接收线圈带宽过小，则难以接收到信号中的高频成分，影响对浅层地质信息的探测.可以通过计算线圈的自谐振频率分析接收线圈的带宽(Séran and Fergeau，2005)，计算公式为

(1)

式中，L和C分别为线圈的寄生电感和寄生电容，与线圈的尺寸、匝数和缠绕形式有关.不同的缠绕段数、匝数、层数、直径和线材及骨架的介电常数都会影响传感器的寄生电感及寄生电容.

进行半航空电磁探测时，使用旋翼机吊载接收线圈飞行过程中，按照旋翼机载重量和飞行稳定性的要求，接收线圈的体积和重量不能过大.因此在设计线圈传感器过程中，往往利用传感器的平均直径和匝数对重量和体积进行限制，由于寄生电感和寄生电容与线圈的直径和匝数之间具有复杂的非线性关系，此处仅作定性分析，具体的电性参数计算过程将在后文2.2节进行论述.当空心线圈的平均直径和匝数改变时，对线圈谐振频率的影响如图2所示.谐振频率受平均直径和匝数的影响较大，当通过减小平均直径和匝数而减小线圈尺寸和重量时，接收线圈等效接收面积会变小，且带宽会急剧增加.提升平均直径和匝数将改善接收带宽，但过大的尺寸会增加线圈的重量影响旋翼机飞行稳定性.因此，传统单分量空心线圈的接收性能受到线圈参数的限制.

图2 空心线圈的谐振频率随平均直径和匝数的变化情况

1.2x、y分量信号缺失

传统半航空电磁探测仅采集磁场响应的z方向分量，但是实际的磁场响应包含x，y和z三个分量，因此仅探测z分量具有局限性.当激发源位于坐标原点时，激发磁场的三分量响应振幅切片图如图3所示.可以看出，激发场的三个分量幅度为非均匀分布，在x和y方向上的分布也存在明显差异，且存在畸变带，即一次场辐射盲区.当测区位于源两侧范围时，观测z分量磁场能够保证较大的探测区域；当测区位于源线延伸方向范围时，观测x分量磁场最优；当测区与发射源存在夹角时，观测y分量磁场最优.

图3 地面激发源的三分量磁场分布

在实际应用中，如果仅采集z分量信号，则会完全损失x和y分量的信号，造成有效信息的缺失，不利于对地下结构进行多维解释.

2 三分量空心线圈传感器设计

为了获得最佳的接收线圈性能，使传感器能够有效采集多个分量的信号，本节在传统接收线圈的基础上，设计了具有差分形式的三分量接收线圈，并详细分析了三分量接收线圈的相对位置关系、电性参数和电路模型.

2.1 三分量空心线圈传感器结构

使用空心线圈进行频率域半航空电磁探测时，依据电磁场矢量叠加原理，以z分量观测为主，x、y分量为辅的思想设计了互相垂直的x，y和z三分量接收传感器.为了保证x、y和z三个分量采集结果的一致性，理想的设计方式是保持三个分量线圈具有相同的结构和尺寸，由于地空频率域探测系统采用的旋翼机载重能力有限，三个分量线圈的结构一致时则总的质量将会超过旋翼机的带载范围.另外，当直接将x和y分量线圈设计成紧贴的正交型时，对于“T”型布置来说，虽然能够保证一定的对称性，但会有一个分量线圈处于另一个分量线圈中心线，导致两组分量线圈之间存在较强的信号耦合干扰问题；对于“L”型布置来说，难以保证线圈传感器的对称性，考虑到此时空气阻力的影响因素，这种布置方式不利于空中飞行时的稳定性.由于半航空频率域电磁探测法采用长偏移距观测模式，同一分量的采集线圈拆分为两段具有较近间距的两段线圈时，探测信号在两线圈位置处的磁感应强度差几乎没有差别，因此将x和y分量线圈各自设计为两段方形线圈，并将这四个线圈布置为对称的正方体形式保证悬吊的稳定性，最终设计的三分量线圈结构如图4所示.考虑到图3中所示不同分量的信号幅度存在差异，即同一位置的响应磁场x或y分量幅度较大，而z分量幅度相对较小，故设计一个较大尺寸的圆形线圈采集z分量信号，该Z线圈直径为D；X线圈和Y线圈为方形线圈，用于采集x和y分量，其边长较小，记为d1.

图4 三分量线圈结构图

在图4中建立oxyz坐标系，Y1与Y2线圈之间的中心距离和X1与X2之间的中心距离相等，均为d2.其中Δ1表示线圈Y1中心位置的y轴坐标，Δ2表示线圈X1或X2的中心位置的y轴坐标，Δ3表示线圈Y2的中心位置的y轴坐标.使用镀银铜线作为导线缠绕在线圈骨架上，Z线圈分为2段，每段匝数相同，输出端采用中间抽头连接的差分形式.另外x和y分量各采用两个方形线圈作为接收线圈，四个线圈各自缠绕一段，接收同一分量的两个线圈连接为差分形式.

对于传统球形或者正方体形的三分量结构线圈来说，当多匝线圈相互靠近时，受到接收信号或者干扰噪声的影响，线圈中会产生感应电流，导致相邻的线圈之间会由于存在互感而产生互感电动势，最终对接收的信号产生影响，降低采集数据的信噪比，故首先对线圈之间的距离进行设计，分析线圈相对位置改变时，线圈间互感的变化情况，确定相邻线圈间互感最小的最佳相对位置.实际应用时，因为Z线圈的尺寸最大，当线圈之间存在互感时，Z线圈对X和Y线圈的影响也最大，而X和Y线圈因为本身尺寸较小，两组线圈之间的互感也较小，可以忽略不记.故主要考虑线圈间距离改变时，X或Y线圈与Z线圈之间的互感变化情况.

根据互感的定义，利用磁通密度边界积分法求解线圈的磁通量为

Φ=∮ΩB·ndS，

(2)

其中，Φ表示通过线圈的磁通量，Ω表示要积分的曲面，B表示曲面的磁通密度，n为积分曲面的单位法向矢量. 利用公式(2)，可以计算出通过线圈平面的磁通量，进而利用下式计算出线圈之间的互感：

M=Φ/I，

(3)

其中，M表示两线圈之间的互感大小，I表示单位激励电流的幅度.通过使用有限元方法分别计算X和Y线圈与Z线圈之间的距离沿y轴方向改变时，互感的变化情况.在计算过程中，Z线圈位置固定，将X1、X2、Y1和Y2四个线圈组成的正方体作为一个整体沿y轴移动，并维持正方体边长为10 cm，最终互感大小的归一化计算结果如图5所示.图中黑色实线和三角标号分别表示每一个线圈与Z线圈之间的互感，带圆圈符号的黑色实线表示x或y分量的两个线圈与z分量线圈之间互感之差.

图5a中横坐标表示X线圈中心的y轴坐标，可以看出，对于x分量线圈，由于X1和X2关于y轴平面对称，因此当距离改变时，与Z线圈之间的互感大小的变化趋势基本一致，且当X线圈沿y轴正方向逐渐远离Z线圈时，互感明显减小，当X线圈的坐标接近30 cm时，互感大小基本为0，且几乎不再随距离增加而改变.图5b中横坐标表示Y1线圈中心的y轴坐标，对于y分量线圈，由于Y1比Y2更靠近Z线圈，因此Y1与Z线圈的互感略大于Y2与Z线圈的互感值，但是互感大小的变化趋势比较接近.虽然在-20 cm位置附近，Y1与Y2线圈和Z线圈之间的互感差值最小，但是此时两个线圈是处于Z线圈内侧，在这种情况下每个线圈与Z线圈之间仍然有较大的互感，因此这种情况下是不适合的，应该考虑坐标值大于0的情况.所以，最终确定X1与X2线圈的位置为Δ2=19.8 cm，Y1线圈位置为Δ1=11.3 cm，Y2线圈的位置为Δ3=28.3 cm，此时每个分量线圈与Z线圈间的互感很小接近于0，可以忽略不计.

图5 X和Y线圈与Z线圈的互感与线圈间距离的关系

2.2 线圈传感器电性参数

多匝空心线圈传感器绕制过程中，寄生电感和寄生电容往往会受到物理形状的影响，Z线圈的物理结构和等效电路如图6所示，电路模型等效为二阶电路的形式.

图6 Z线圈及等效模型

根据法拉第电磁感应定律，空心线圈传感器在测量信号时的感应电动势可以表示为(刘长胜等，2019)

emf(t)=-ndΦ(t)/dt=-nGSdBz(t)/dt，

(4)

其中，n表示线圈的匝数，Ф(t)表示通过线圈的磁通量，G表示前置放大器的增益，S表示单匝线圈的面积，Bz(t)表示信号垂直分量(z分量)磁场的幅度.利用傅里叶变换，将公式(4)变换到频率域，可得到频率探测的信号响应公式：

emf(ω)=-ωnGSBz，

(5)

其中，ω表示采集信号的角频率.此时，可以计算出空心线圈传感器的接收灵敏度为

k=emf(ω)/Bz=-2πfnGS，

(6)

可以看出，空心线圈感应电压幅度与信号的频率有关；并且，为了维持传感器的灵敏度，保证传感器的带宽覆盖接收信号的频率范围，需要对传感器的电性参数进行设计.

一般将非金属尼龙等材料作为线圈骨架，在骨架上绕制多层漆包线，线圈的直流电阻R可以采用下式计算(Tumanski，2007)：

(7)

其中，ρ为导线电阻率，l为线圈总宽度，d为导线直径，D为线圈骨架外径，Di为线圈骨架内径.

空心线圈传感器寄生电感值的大小很大程度上决定了线圈的谐振频率，同时也决定了传感器的上限频率，线圈的寄生电感可以采用下式估算(Thompson，1999)：

(8)

其中，μ0为真空磁导率，lm表示线圈的平均周长.

由于采取分段多层的方式绕制线圈，因此层间和段间都存在寄生电容，而总寄生电容为二者之和.每段之间的寄生电容为(Yu et al.，2020)

(9)

其中，Nc表示每段绕线的层数，εg表示骨架的相对介电常数，h表示骨架的高度，e表示骨架槽间宽度.

每层之间的寄生电容为

(10)

其中，εa表示漆包线的相对介电常数，δ表示每层间距.因此，总寄生电容为

C=Cg+Ca，

(11)

以上公式可用来估计空心线圈传感器的寄生参数.实际情况下由于随机绕线方式的不同以及绕制松紧程度的不同，估计值会与实际值之间存在些误差.但是，上述理论公式表明，当线圈直径及绕制的层数和段数增加时，会使寄生参数值增大，过大的寄生电阻会增加源内阻，影响传感器的增益；寄生电感和电容值增加会使传感器的带宽急剧下降，影响对高频信号的接收.并且，骨架尺寸增加会使传感器的总重量增大，在旋翼机飞行过程中由于线圈惯性产生的晃动会为旋翼机带来安全隐患.综合考虑上述限制因素，最终确定线圈的物理结构参数如表1所示.

表1 各分量线圈的物理参数

2.3 前置放大电路

本文设计的z分量接收线圈物理面积约为100 m2，而x和y分量的物理面积为2 m2.较多的匝数使Z线圈具有较大物理面积的同时，也使Z线圈的寄生电感和寄生电容增加；X和Y线圈的匝数较少，降低了寄生电感和寄生电容，但是会使自谐振频率上升，因此需要对三分量线圈传感器的频率特性进行分析，调整三组线圈频率特性接近一致.考虑到多匝线圈存在的典型噪声有共模噪声和约翰逊噪声(Nyboe and Sørensen，2012；Chen et al.，2015)，因此，设计接收线圈为差分结构，并且在绕制过程中尽量保证相同分量的每段线圈参数接近一致.对于差分结构的线圈来说，每一段都可以等效为如图6b所示的二阶电路形式，每一段的中间抽头连接在一起作为公共电压参考端，实际前置放大电路如图7所示，该电路包含一组差分结构线圈的等效电路，相应的匹配电路和差分放大器.

图7 差分结构线圈及前置放大电路

利用拉普拉斯变换求解前置放大电路的传递函数为

(12)

(13)

(14)

式中，G(s)表示输出级放大器的传递函数，与实际的放大器电路形式有关，ζ为阻尼系数，表示前置放大电路的阻尼状态，ω0表示前置电路的谐振频率.为了配合差分线圈的结构形式，使用了具有低噪声和低失真特性的仪表放大器INA163，该放大器的典型输入噪声电压为1 nV/Hz1/2@1 kHz，通过改变增益电阻Rg的值可以调整放大器的电压增益.

传感器及前置放大电路的归一化频率响应如图8所示.可以看出，当阻尼系数ζ较小时，频率响应曲线在谐振频率点位置处出现较高的谐振峰，表现出带通特性；当ζ较大时，频率响应曲线会逐渐变得平缓，并最终表现出低通特性.当0.5≤ζ≤1时，表现为略微欠阻尼的情况，此时带宽约等于谐振频率；当1≤ζ≤5时，处于过阻尼状态，此时带宽会小于谐振频率，且阻尼系数越大，带宽越小.因此，在0.5≤ζ≤5之间调整阻尼系数，可以为带宽的调整带来较大的容错空间.

图8 前置放大电路的归一化频率响应

以上分析表明实际制作前置放大电路时，需要调整合适的器件参数，使频率响应维持在略微过阻尼与欠阻尼之间.并且，确定线圈物理参数后，在过阻尼状态下，前置放大电路的带宽将始终低于自谐振频率.

为了将前置放大电路调整至合适的带宽和阻尼状态，参考公式(13)和(14)，对于某一确定的线圈参数来说，改变匹配电阻Rm的大小会在调整阻尼系数的同时改变前置放大电路的截止频率.根据前述的分析结果，对于X和Y线圈来说，由于线圈物理尺寸和参数与Z线圈差别较大，因此，需要对每一组线圈的频率响应进行具体分析和调整.匹配电阻Rm的取值范围为(Lehtonen and Hällström，2017)

(15)

3 测试与实验

3.1 三分量线圈传感器参数测量

根据上述分析，线圈的电性参数会影响传感器的频率响应，进而影响半航空电磁探测系统的信号获取效果，因而需要对线圈的寄生参数进行准确测量.线圈传感器可以等效为一并联谐振网络，该网络特点为单端口形式，使用感应法或矢量网络分析法(Kim and Kim，2014)时，测试结果会受到初级线圈的影响，使测试结果不准确；并且应用于电磁法探测的线圈寄生电容在皮法拉量级(10-12F)，常用的LCR数字电桥很难准确测量寄生电容的值.本文采取利用线圈的并联谐振特性进行参数测量的方法，测量原理如图9所示.

图9 并联谐振法测试原理

利用任意波形发生器作为信号源，信号源内阻为Rs，然后使用确定阻值的电阻Rx串联在被测线圈与信号源之间，将信号源输出幅度设为固定值Vs，调整信号源的输出频率，当被测线圈处于谐振状态时，被测线圈的阻抗最大，此时被测线圈两端电压幅度为

(16)

(17)

当信号源输出信号频率等于谐振频率时，被测线圈两端电压Vx的值最大，此时可以确定被测线圈的自谐振频率ω0，然后继续使用LCR数字电桥测量出寄生电阻和寄生电感后，即可根据公式(17)计算出被测线圈的寄生电容.

采用上述方法，三分量传感器线圈的参数测量结果如图10所示，测试频率范围为10 Hz～1 MHz，幅度范围为-40～0 dB.测试结果符合公式(7)—(11)的分析，即由于Z线圈的尺寸较大且匝数较多，其寄生电感也较大，导致谐振频率较低；而X和Y线圈的尺寸较小且匝数较少，相对于Z线圈来说寄生电感会小很多，因此其谐振频率较高.

图10 三分量线圈谐振频率测试结果

从测试结果曲线可以看出，三组线圈都表现出明显的并联谐振特性，当测试频率达到线圈的谐振频率时，测试电压Vx与Vs基本相等，这时结果曲线的幅度达到最大值接近于0 dB，最终可以确定Z、X和Y线圈的自谐振频率分别为15 kHz、101.5 kHz和112 kHz.

为了满足半航空频率域电磁探测系统的要求，实现通带内增益的相对平坦，在测量出三分量线圈的寄生参数后，通过调整匹配电阻值使传感器的带宽维持在10 kHz左右，线圈的电性参数如表2所示，匹配后的频率响应如图11所示.

表2 三分量线圈传感器电性参数

图11 匹配后三分量线圈传感器的频率响应曲线

由图11可以看出，匹配后三分量线圈的增益在通带范围内基本无波动，但是阻带特性略有不同.这是由于匹配之前Z线圈的自谐振频率为15 kHz与要求的带宽10 kHz比较接近，因此在调整阻尼系数之后，阻带衰减仍然较快；而X和Y线圈的自谐振频率与目标带宽相距较远，因此在匹配之后阻带的衰减特性相对于Z线圈来说会变缓，但是仍然能够维持20 dB每10倍频程的衰减速度，可以满足采集三分量信号的需求.

3.2 室内对比与野外试验

为了说明本文研制的三分量传感器的实用效果，首先进行了电磁屏蔽室内对比实验，采用的对比传感器是由Geonics公司研制的3D-3传感器，该传感器的带宽约为30 kHz.

对比方式是：采用一个线圈与信号发生器连接，作为激发源，然后在该线圈两侧等间距分别布置本文研制的传感器(JLU-3D)以及3D-3传感器，此时在每个传感器的接收线圈位置处，由发射线圈产生的磁场强度近乎相等，并将两个传感器的输出端分别连接至双通道动态信号分析仪(Agilent，35670A)，由该动态信号分析仪作为采集装置，对比两个传感器输出的信号幅度，两个传感器各分量在不同频率下的归一化信号响应幅度如图12所示.

图12 JLU-3D与商用传感器3D-3对比结果

由于采用多匝线圈作为发射线圈，发射线圈产生激发场的大小也受到频率的影响，不应对比各传感器响应幅度的绝对值，而应对比两个传感器信号响应幅度的差别.由图12可以看出，对于三个分量来说，在10 Hz～10 kHz的频率范围内，JLU-3D传感器与3D-3传感器采集的信号幅度接近；当信号频率大于10 kHz时，与3D-3传感器相比，JLU-3D传感器采集的信号幅度明显降低.以上结果表明，在10 Hz～10 kHz的带宽范围内，JLU-3D传感器的性能与商用3D-3传感器接近，可以用来采集频率域电磁探测信号；并且在大于10 kHz时，JLU-3D传感器有明显的衰减特性，可以有效抑制带外噪声.

野外实验地点位于中国重庆市城口县，使用的发射机为吉林大学研制的半航空电磁发射系统，最大发射功率为200 kW，发射波形为以16 Hz为基频的3频伪随机矩形波，因此有效信号频率为16 Hz，32 H和64 Hz.野外场地的布置情况及使用的接收装置如图13所示，两个发射电极相距2.24 km，位于半山腰位置，测线方向与电极连线方向平行，收发距为5.28 km.使用的接收装置包含三分量线圈传感器JLU-3D，姿态传感器陀螺仪和加速度计，以及接收机和旋翼机，其中前置放大器安装在Z线圈的外侧，每一个分量线圈的输出端分别连接到一个前置放大器上，然后使用传输线缆与接收机相连接.工作时，旋翼机飞行高度120 m，飞行速度6 m·s-1.接收机位置与发射源位置的相对关系等效于图3中的配置3.

图13 三分量传感器实物图及野外探测方案

需要注意的是，前置放大器与接收机的采集卡之间设计有50 Hz陷波器电路，用于抑制工频噪声干扰，但陷波器也会对50 Hz附近的信号幅度产生影响.对于数据反演来说，需要根据陷波器的频率特性对该影响进行补偿或校正，本文为了验证传感器的性能，在图14中的直接绘制了三分量线圈传感器采集的原始数据，并对每个通道的等效接收面积和放大器增益进行归一化处理，每个有效频率的实际信号幅度如表3所示.可以看出，不仅Z线圈采集到了对应频率范围内的信号，X和Y线圈中也采集到了响应信号，并且三个分量的信号幅度表现出明显的差异.此时接收机位置与发射源位置的相对关系与图3中的配置3情况一致，因此x分量的信号幅度明显高于z分量与y分量，而这种情况下处于y分量的畸变带位置附近，因此采集的y分量信号幅度很小，与第2节中分析的结论一致.对于每一个分量来说，高频信号幅度也明显大于低频信号幅度，且采集到的最小信号幅度为0.278 μV·m-2，验证了该三分量传感器的实用性.

图14 重庆市城口县野外三分量探测结果

表3 野外数据中3个频率点的信号幅度

4 总结与展望

针对传统单分量线圈无法采集水平分量磁场信息导致视电阻率解释结果精度低、误差大的问题，在满足旋翼机载重要求的前提下，本文设计并研制了能够用于半航空电磁探测的三分量空心线圈传感器JLU-3D. 通过屏蔽室测试实验和野外探测实验，得到如下结论：

(1) 通过对比不同发射源-接收机位置的配置关系，验证发射磁场畸变带对探测结果的影响，同时说明了三分量传感器在半航空电磁探测中的潜在应用优势.

(2) 通过对三分量传感器的物理模型进行分析，利用磁通密度边界积分法计算了x和y分量线圈与z分量线圈之间的互感，并通过对比线圈在不同位置处的互感差值，用优化三组线圈相对位置的方式降低了互感带来的影响.

(3) 通过对空心线圈传感器的电性模型进行分析，计算了包含前置放大电路的等效传递函数，并采用匹配电阻的方式调整了线圈传感器的阻尼状态.

(4) 通过在电磁屏蔽室内与商用传感器3D-3对比，说明本文研制的三分量传感器具有与3D-3接近的灵敏度和测量准确度，可以在10 ～ 10 kHz的低频段频率范围进行频率域电磁探测.

(5) 在重庆市城口县的野外探测结果表明该传感器采集到了三分量信号，能够满足半航空频率域电磁法野外探测的需求，进一步验证了本文设计的三分量空心线圈传感器的有效性.

由于本文设计的三分量传感器采用软连接的结构形式悬吊于旋翼机下方，因此在飞行过程中，受到风力和惯性的影响，传感器整体将会发生转动，这一现象对于采集x和y分量将会产生影响.为了对这一问题进行修正，在本文设计的支架上安装有姿态传感器，用于实时记录线圈在飞行过程中的转动和摆动情况.在后续的研究中，可以根据记录的姿态数据，利用姿态校正算法对三分量线圈采集的数据进行修正，这将有助于还原真实的半航空频率域电磁探测信号.也可以在传感器支架和旋翼机之间采用硬连接的方式，这种连接形式会抑制传感器在飞行过程中的转动和摆动幅度，但是硬支架会带来一定的振动噪声，需要针对这一问题开展更加深入的研究，以提高本文研制的三分量传感器的整体性能.