地空瞬变电磁系统(Ground-airborne Transient Electromagnetic System)又称为半航空瞬变电磁系统(Semi-airborne Transient Electromagnetic System)或地空时间域电磁系统(Ground-airborne Time Domain Electromagnetic System)，是航空电磁法的一种新型设计方案.它利用铺设于地面长几到几十公里的接地长导线或大定源回线作为发射源发射一次场，在空中采用无人机或飞艇携带接收线圈对二次电磁响应进行采集，具有勘探深度大，作业效率高等优点.

近年来，地空TEM在国外得到了一定的发展.90年代具有代表性的地空TEM系统有FLAIRTEM系统和TerraAir系统，Elliott(1997，1998)指出FLAIRTEM系统具有较深的穿透深度和较远的频率带宽，且FLAIRTEM方法相较于传统航空电磁系统具有更高的分辨率；Smith等(2001)使用TerraAir系统对地面TEM、航空TEM和地空TEM进行了对比实验和数字模拟，证明了对深部目标体进行探测时地空TEM是优于航空TEM的；Kaieda等(2005)在日本九州阿苏火山附近使用基于GREATEM系统改装的地空TEM，对电磁法、磁法、红外成像、伽马射线法做了对比研究，并得出电磁法能探测地下大约800 m的深度；Mogi等(2009)使用GREATEM系统在日本东北部的盘梯山附近做了实际应用研究，并探讨了GREATEM系统的勘探技术和在火山勘探方面的优势，但是该项研究是以电阻率层状结构为前提的，这就需要开发适用于三维结构新的分析方法，以及能够处理AEM所产生的海量数据的处理技术；Ito等(2011)使用GREATEM系统在日本千叶县的滨海地区进行了地下电阻率结构调查，得出GREATEM可确定沿海地区300~350 m，最深为800 m深度的电阻率结构，但是GREATEM系统的配置(例如，偶极电源的长度和它的功率等)和降噪技术还有待改进.

目前国内对于地空TEM的理论研究偏多，应用研究偏少.张成范等(2009)分析了大定源回线电阻率的变化特点，利用二分法计算了感应电动势的全区视电阻率，并通过对理论模型和实际数据进行计算验证了方法的可行性；关珊珊等(2012)对地空TEM电磁响应进行了研究计算，计算方法对于提高反演分辨率具有较高的参考价值；李建慧等(2012)对TEM的正演计算方法进行了归纳总结，指出正演算法的改进、正演效率的提高以及电磁场扩散的影响规律研究是正演算法发展的必然趋势，这为地空TEM正演算法的发展提供了借鉴依据；阳贵红(2012)研究了长导线源地空电磁响应计算方法和地空电磁数据的消噪及反演解释算法，为复杂地区地空电磁探测提供了理论基础和技术指导；张晓爽(2012)对电性源的时间域地空电磁响应进行了计算，研究结果为地空数据处理及反演解释提供了理论基础，但是论文研究基于二维电磁响应，这就需要对三维有限差分方法进行改进，以完成对地空三维异常体的探测；赵越(2013)分析总结了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形态特征与规律，为瞬变电磁多分量解释技术的应用奠定了理论基础；张莹莹(2013)对全域视电阻率进行的定义以及戚志鹏等(2013)提出的瞬变电磁扩散场到拟地震波场全时域反变换算法为后续的波动方程偏移成像奠定了基础；李貅等(2010，2012，2015)分别对TEM的延拓成像、合成孔径成像和逆合成孔径成像算法进行了研究，结合模拟数据，验证了成像算法的可靠性和有效性，提出的逆合成孔径延拓成像算法为地空TEM的数据处理提供了思路，指明了方向.以上国内学者的研究成果为地空TEM系统的实际应用奠定了理论基础，但是他们并未开展野外验证性的探测实验.李肃义等(2013)在充分分析了地空电磁信号噪声特点的基础上，提出了一种基于sym8小波基的综合小波去噪算法，并且利用该算法对理论模型数据和吊空模拟实验数据进行验证计算，结果表明该算法对多种噪声均有很好的抑制作用.但是吊空实验中吊车在测量时的转动速度、吊车转动通过异常环的时间无法准确记录，测点的距离只能通过估算获得，导致实测异常宽度与理论计算宽度存在误差.嵇艳鞠等(2013)使用以无人飞艇作为飞行平台的地空TEM系统进行了野外探测实验，验证了无人飞艇地空探测系统的有效性，为复杂区域的无人化电磁探测提供了新思路；徐江(2014)使用人工神经网络法对无人飞艇半航空TEM系统实测数据进行了反演解释，为地空电磁探测数据的处理提供了理论基础和技术支持.但是无人飞艇的抗风能力较弱，飞行稳定性较差，在探测时容易偏离测线，且在起飞、降落时不易操控，因此，需要发展新的无人化地空探测系统来满足更加苛刻的民用及军事上的探测需求.文中介绍了一种新的地空瞬变电磁系统，并围绕该系统开展了野外飞行探测实验，最后将实验结果与已知巷道数据的建模结果进行比对分析，验证了新系统探测的有效性和准确性.

无人机地空瞬变电磁法勘探工作原理(图 1)与传统的地面瞬变电磁法类似，利用大功率地面发射源向地下发射阶跃电磁波信号，关断发射电流，由电磁感应作用产生的空间磁场激发大地和地下电性差异体，通过安装于无人机上的接受线圈接收并分析地下电性差异体产生的电磁感应二次场信号，从而达到勘探地下目标体的目的.

图 1

Fig. 1

图 1 地空瞬变电磁法原理 Fig. 1 The principle of Ground-airborne TEM

地空瞬变电磁探测系统(图 2)由无人机、大功率发射机、接收机和接收天线组成，各组成部分的主要参数如下.

图 2

Fig. 2

图 2 地空瞬变电磁系统 (a)电源发射车；(b)六旋翼无人机；(c)接收机；(d)接收小线圈． Fig. 2 The ground-airborne transient electromagnetic system (a)Power launch vehicle;(b)Six-rotor UAV;(c)Receiver;(d)Small reception coil.

发射机：JDD-100(Jilin Double Domain-100kW)型电源发射车，发射车发电机功率200 kW，发射机输出功率100 kW，输出最大电压1500 V，输出电流最大68 A，发射波形为时域双极性脉冲和频率双极性脉冲.输出频率：时域3.125 Hz、6.25 Hz、12.5 Hz和25 Hz；频域0.01~8192 Hz.

接收机：地空瞬变电磁全波形连续收录系统，数字24位，最高采样率100 kSa/s，动态范围120 dB，量程-10~+10 V；此外，该接收机还配有GPS定位系统，可以实现对地下目标体的准确定位.表面覆有锡箔，用来屏蔽接收机电磁信号对无人机GPS导航系统产生的电磁干扰.

接收天线：面向浅层探测的小线圈，有效面积700 m²，直径0.5 m，重2 kg；面向深层探测的大线圈，有效面积20000 m²，直径1.2 m，重17 kg.

无人机：南航自主研制配有GPS导航系统的无人机，操控性能好，可实现自主导航飞行.主要用于搭载接收机和接收天线，挂载重量约为10 kg，空载飞行时间为30~40 min.

实验区地处苏皖两省交界的冶山区，东经118°53′，北纬30°30′，位于南京市六合区东北部，距南京市区52公里，实验区位置如图 3所示.

图 3

Fig. 3

图 3 实验区位置 Fig. 3 Experimental area location

冶山铁矿有着悠久的开发历史，矿区部分露天开采地区会形成塌陷，由于后期回填会形成地面凹坑.还有一部分不能露天开采的地区，保存有地下巷道工事(可用来模拟地下指挥所).地下工事存在于花岗闪长岩与白云岩接触带上，有部分地下单独小矿体产于白云岩中或花岗闪长岩中.测区内地下工事规模为：南北长约300m，东西宽约200m.地面最高海拔230m，平均海拔90~100m，地下巷道埋藏深度为地下70~150m之间.

依据掌握的实际资料可知实验区采掘巷道共有四层，由地表向下依次为海拔标高+7 m，0 m，-10 m，-24 m，地表海拔约为90~100 m，巷道集中于150 m×100 m矩形范围内.

采用三维矢量有限元算法对地下巷道进行数值建模：设巷道高为3 m，宽度2~5 m.计算区域水平方向为x方向，竖直方向为y方向，垂直巷道平面为z方向.计算区域x方向200 m，y方向200 m，z方向150 m.地下各层巷道建模结果如图 4所示，图 5为巷道三维建模结果.

图 4

Fig. 4

图 4 地下巷道建模 (a)第一层巷道(海拔+7 m)；(b)第二层巷道(海拔0 m)；(c)第三层巷道(海拔-10 m)；(d)第四层巷道(海拔-24 m)． Fig. 4 The modeling of underground tunnels (a)The first layer(Altitude: +7 meters);(b)The second layer(Altitude: 0 meters); (c)The third layer(Altitude: -10 meters);(d)The fourth layer(Altitude: -24 meters).

图 5

Fig. 5

图 5 三维建模结果 (a)巷道网格分布；(b)计算区域网格剖分；(c)俯视图． Fig. 5 Results of three-dimensional modeling (a)Grid distribution of tunnels;(b)Mesh of calculation area;(c)Top view of calculation area.

对电性源地空瞬变电磁系统采用三维矢量有限元算法模拟了冶山矿山公园的采空巷道，根据当地地层情况，设置模型的背景电阻率为两层.第一层位于地表，电阻率为100 Ω·m，厚度为10 m；第二层为下覆岩层，平均电阻率为350 Ω·m；巷道剖分为四层，电阻率设置为1000 Ω·m.发射电流设置为30 A，电性源长度为200 m，发收距700 m，飞行高度50 m.图 6为融合了地表与地下巷道模型的效果图.

图 6

Fig. 6

图 6 模型叠加效果 Fig. 6 Model superposition effect

在地空瞬变电磁探测系统中，全域视电阻率定义的问题十分重要.我们希望地空探测系统可以在全空域、全时域进行三维数据采集，以满足实际探测的需求.

使用泰勒级数对频率域和时间域磁场关系式： H_z(t)=进行二次展开，并赋初值ρ₀，经整理后得到电阻率的近似表达式为(李貅等，2015)

在地面上空取三个剖面，偏移中心点的距离分别为0 m、80 m、160 m，对计算的瞬变电磁响应采用全域视电阻率计算方法进行转化，并绘制视电阻率断面图(图 7).由图 7可以看出主剖面上有明显的高阻特征，它反映了地下巷道的空间位置，在偏离主剖面的两个旁侧面上，高阻特征随着偏移距离的增加而逐渐减弱，直至消失.这证明了全域视电阻率定义方法能够满足地空瞬变电磁法解释的需要.

图 7

Fig. 7

图 7 选定测线视电阻率断面图 (a)巷道正上方；(b)偏离巷道正上方80 m；(c)偏离巷道正上方160 m． Fig. 7 Apparent resistivity contour of the selected lines (a)Just above the tunnels;(b)Deviation 80 meters from the tunnels; (c)Deviation 160 meters from the tunnels.

根据实验测区实地情况，特别是已知巷道的分布位置，测线布设在矿山公园的东部位置，测线为东西走向，穿越已知巷道.测区范围350 m×300 m，共布置地空TEM测线36条(实际完成3条测线)，线距10 m，点距5 m，飞行高度控制在50 m左右，发射源长230 m.图 8为地空TEM测线布置图.

图 8

Fig. 8

图 8 测线布置图 Fig. 8 The layout of measurement lines

场源布设应充分考虑到测区内的地形及地表地质情况，同时也应遵照地空TEM本身的特点.本次场源布设在测区北面的田地里，偶极矩长度为300 m，收发距在700 m左右，接地电阻10 Ω，最大电流可达56 A.

对地空探测系统采集的原始数据(约15000个物理点数据)(图 9)进行信息提取，提取后数据如图 10所示.对提取的数据进行平滑处理，结果如图 11所示.

图 9

Fig. 9

图 9 地空系统实测原始数据 Fig. 9 Measured raw data of the GAS

图 10

Fig. 10

图 10 提取的测线数据 (a)23测线；(b)25测线；(c)27测线． Fig. 10 The extracted line data (a)Line 23;(b)Line 25;(c)Line 27.

图 11

Fig. 11

图 11 平滑处理后的数据 (a)23测线；(b)25测线；(c)27测线． Fig. 11 Data after smoothing (a)Line 23;(b)Line 25;(c)Line 27.

利用地空全空域、全时域视电阻率定义方法(李貅等，2015)进行视电阻率计算，计算的视电阻率断面分布如图 12所示.由测线布置图(图 8)可知，所完成的3条测线跨越巷道上方，从断面图上可以看到明显的高阻异常特征，这些异常特征反映了巷道的空间位置.

图 12

Fig. 12

图 12 实测测线视电阻率断面图 (a)23测线；(b)25测线；(c)27测线． Fig. 12 Apparent resistivity contour of measured lines (a)Line 23;(b)Line 25;(c)Line 27.

将实测数据处理结果与数值模拟结果进行比对分析，由图 13可以看出，图中显示的高阻异常区域与地下巷道的空间位置吻合较好，证明了无人机地空瞬变电磁系统探测的有效性和准确性.

图 13

Fig. 13

图 13 不同海拔标高下视电阻率切平面与实际巷道对比 (a)海拔标高-10 m；(b)海拔标高+7 m． Fig. 13 The contrast of apparent resistivity slice plane and tunnels at different altitude (a)Altitude: -10 meters;(b)Altitude: +7 meters.

本文在充分研究分析国内外研究现状和实际探测需求的基础上，构建了无人机地空瞬变电磁探测系统，并开展了野外飞行探测实验，实验结果表明：

(1)此次实验要探测的地下巷道处在冶山铁矿体附近，其周边的围岩环境非常复杂，岩石电阻率呈高阻分布，使得这次实验是在高阻围岩中寻找高阻目标体，相比寻找正常的地下目标难度大大增加.

(2)实验取得了一定的效果，从已完成的3条测线处理结果来看，实测结果与数值模拟结果吻合较好，证明了该系统探测的有效性和准确性.并且在探测时间上，无人机地空瞬变电磁探测系统完成设计区域(350 m×300 m)的飞行探测任务理论时间约为50 min(以飞行速度5 m/s计算)，较之于传统的地面测量方式，工作效率将得到大大提升.

(3)由于实验前对电磁信号的干扰问题考虑不够深入，为了屏蔽接收机电磁信号对无人机GPS定位系统产生的干扰，实验组临时采用了在接收机表面覆锡箔的方法，虽然信号干扰得到很好的抑制，且取得了较好的实验结果.但是，还需研制屏蔽电磁信号的接收机箱来达到屏蔽信号干扰的目的.

(4)受无人机挂载能力和续航能力的制约，仅完成了3条测线的数据采集任务，相比较规划设计的36条测线，完成量远远不足.因此，需要对地空瞬变电磁探测系统的接收机和接收天线进行改进，研制出更小、更轻、接收效果更好的电磁信号接收系统.此外，无人机的选型也十分重要，应选择挂载重、续航能力强的无人机作为飞行平台以适应野外探测的需求.

致 谢 感谢长安大学李貅教授、成都理工大学王绪本教授、中国科学院地质与地球物理研究所薛国强研究员等在实验过程中给予的指导和帮助！感谢审稿专家对本文提出的修改意见！