直升機TEM測量影響因素分析

單希鵬，謝汝寬，梁盛軍，余學(xué)中

(中國自然資源航空物探遙感中心，北京 100083)

0 引言

時間域航空電磁法為時間域電磁法(time-domain electromagnetic method，TEM)的一個重要分支，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬礦產(chǎn)勘探、水文地質(zhì)、地質(zhì)填圖等領(lǐng)域[1-2]，其相較于地面電法，具有測量效率高、覆蓋范圍廣、受地形影響小等優(yōu)勢。航空TEM系統(tǒng)根據(jù)搭載飛機的不同又分為固定翼TEM系統(tǒng)和直升機TEM系統(tǒng)。固定翼TEM系統(tǒng)雖然具有探測深度大的優(yōu)勢，但其難以在地形起伏較大的地區(qū)作業(yè)[3]；而直升機TEM系統(tǒng)靈活，具有垂直起降、隨時起降及起降場地小等優(yōu)勢，適合在復(fù)雜地形作業(yè)，因此應(yīng)用最為廣泛。

前人對于航空物探測量影響因素做過很多研究及探討：鄂國慶等[4]、崔志強等[5]、王金龍等[6]針對不同機型搭載不同航空物探設(shè)備的優(yōu)劣勢進行了對比；李健等[7]闡明了直升機起降點對于航空物探測量的重要性；王衛(wèi)平等[8]、羅延鐘等[9]、閔剛等[10]通過理論模型對不同飛行高度下的時間域電磁響應(yīng)影響進行了研究；楊淼鑫等[11]通過富錦—友誼地區(qū)的實測資料分析不同發(fā)射基頻及飛行高度對于直升機TEM數(shù)據(jù)處理的影響；Macnae等[12]、Buselli等[13]以及朱凱光等[14]、黃威等[15]、沈凌群等[16]對航空電磁運動噪聲的去除進行了理論研究。前人的研究缺少針對直升機TEM野外測量影響因素的整體分析，而結(jié)合實測經(jīng)驗分析測量影響因素有利于提高從業(yè)人員對直升機TEM野外作業(yè)整體流程認識，把控各測量環(huán)節(jié)質(zhì)量。筆者結(jié)合2019～2020年雄安新區(qū)白洋淀及雄縣兩個測區(qū)直升機TEM實際測量案例，分析直升機TEM野外測量的幾個主要影響因素，對今后直升機TEM飛行作業(yè)具有實際意義。

1 直升機TEM工作原理

直升機TEM是應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，將瞬變電磁裝置搭載在直升機上進行地質(zhì)探測的一種地球物理勘探方法，目前實用的系統(tǒng)有VTEM、AeroTEM、SkyTEM等[3,17-18]。其主要工作原理是使用不接地的回線源向地下發(fā)射脈沖信號，產(chǎn)生電磁響應(yīng)，即為一次場。在一次場的激發(fā)下，地質(zhì)體會激勵起感應(yīng)渦流，產(chǎn)生隨時間變化的瞬變電磁響應(yīng)，即為二次場[16,19]，而產(chǎn)生的二次場特征取決于地下介質(zhì)的電磁特性。二次場衰減呈現(xiàn)e指數(shù)規(guī)律，早期道衰減速度快，而晚期道衰減緩慢，但信號也弱，容易受到干擾。探測目標(biāo)地質(zhì)體若為良導(dǎo)體，觀測電磁信號隨時間變化衰減緩慢；相反，目標(biāo)體為高阻體時，觀測電磁信號隨時間變化衰減速度快。通過觀測二次場電磁信號的變化特征，可以推斷地下介質(zhì)結(jié)構(gòu)特征，從而達到探測地質(zhì)信息的目的[15]。直升機TEM工作原理示意見圖1。

圖1 直升機TEM工作原理示意Fig.1 Schematic diagram of helicopter TEM

根據(jù)裝置不同，直升機TEM測量系統(tǒng)可分為同心裝置和偶極裝置兩大類。同心裝置收發(fā)同步，收發(fā)線圈相對位置固定，易于補償，避免了異常變形，方便后期解釋，對異常體分辨率較高；偶極裝置受一次場影響小，噪聲小，采樣率高，對地下目標(biāo)體的橫向分辨率較高[3]。雄安測區(qū)使用的AeroTEM系統(tǒng)屬于同心裝置大類，X分量接收線圈在發(fā)射線圈中間，而Z分量接受線圈位于發(fā)射線圈一側(cè)。

2 直升機TEM測量影響因素

要安全、高效完成直升機TEM測量任務(wù)，需要明確影響測量的主要因素有哪些，如起降點、架次飛行計劃會影響飛行效率；天氣會影響飛行安全；飛行高度、速度會影響測量數(shù)據(jù)質(zhì)量；空域協(xié)調(diào)會影響飛行進度。

2.1 吊掛直升機選型

直升機航空TEM設(shè)備具有發(fā)射功率大、重量大的特點。以AeroTEM系統(tǒng)為例，整套系統(tǒng)重約540 kg，在75 Hz基頻下發(fā)射電流峰值約為400 A，這對吊掛設(shè)備的直升機性能提出了較高的要求。目前國內(nèi)外直升機TEM使用最為廣泛的機型為空中客車直升機公司的AS350B3(小松鼠)，該機型性能優(yōu)越，曾在2015年5月創(chuàng)造出在珠穆朗瑪峰起降的記錄[20]。國內(nèi)中航工業(yè)昌飛集團自主研制的AC311A直升機與小松鼠性能接近，也可吊掛TEM設(shè)備進行作業(yè)。除上述小型直升機外，國內(nèi)外性能優(yōu)異的直升機還有很多，例如中航工業(yè)哈飛集團的AC312E雙發(fā)直升機，起飛質(zhì)量更大，續(xù)航更久，可在高溫高原環(huán)境下起降，但其雙發(fā)高功率的特點，導(dǎo)致測量生產(chǎn)成本要高于小型直升機；且更大的機身對起降場地及后勤補給的要求也更高。AC312E或更高性能的直升機適用于重量更大，探測深度更深的大直徑TEM吊掛。上述機型的主要性能參數(shù)見表1。

表1 3種直升機主要性能指標(biāo)

2.2 起降點選擇

相對于固定翼飛機，直升機起降無需設(shè)施齊全的專用機場，有一塊寬闊平坦的空地即可實現(xiàn)[7]。直升機TEM作業(yè)臨時起降點應(yīng)選在測區(qū)內(nèi)或者測區(qū)邊緣的空曠地帶，以提高飛行效率。起降點內(nèi)應(yīng)鋪設(shè)緩沖沙袋，在飛機降落時保護設(shè)備。此外，起降點應(yīng)具備駐扎帳篷條件，用來存儲設(shè)備備用件及工具等。由于直升機TEM在測線飛行前及返航前都需要做高空背景場校正，而高空背景場校正地點需為無電磁干擾的空曠地帶。因此，選擇的起降點也不宜離高空背景場地點太遠。

以雄縣測區(qū)為例，測區(qū)內(nèi)沒有合適的起降點，起降點選在測區(qū)西部的廢棄小型機場，離測區(qū)約5 km(圖2)。為保證飛行效率，兩個測區(qū)的背景場地點均選在了起降點至測區(qū)的航路上(圖2中A、B區(qū)域)。在飛1區(qū)測網(wǎng)時，應(yīng)先向空地A飛行，并爬升至一定高度(吊艙離地高度一般在800 m以上)做高空背景場校正，然后下降高度進入測線。同理，在飛2區(qū)測網(wǎng)時應(yīng)先向空地B飛行做高空背景場校正，下降高度后進入測線。

圖2 雄縣測區(qū)起降點與測區(qū)位置示意Fig.2 Location map of the landing points andthe survey area in Xiongxian

2.3 天氣影響

天氣是直升機TEM作業(yè)的主要影響因素之一。在直升機TEM作業(yè)時，自然界的電磁噪聲主要來源于天電干擾。天電干擾是指大氣層中積貯的電荷放電而引起的電磁輻射[12]。雷電屬于最強烈天電干擾之一，會給測量帶來很大的噪聲影響。因此，在測區(qū)或周邊地區(qū)為陰雨(雪)、雷電天氣時，應(yīng)禁止飛行。在下雨(雪)過后，應(yīng)等地面晾曬干燥后再飛行，以此保證采集信號地質(zhì)條件的一致性。測量飛行全程應(yīng)在云底以下，且在做高空背景場校正時禁止穿云飛行。

根據(jù)中國民航局對于基本目視飛行規(guī)則的最低天氣標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在修正海平面氣壓高度900 m(含)以下或離地高度300 m(含)以下(以高者為準(zhǔn))，如果在云體之外，能目視地面，允許航空器駕駛員在飛行能見度不小于1 600 m的條件下按目視飛行規(guī)則飛行[24]。直升機TEM測量屬于超低空飛行，吊艙離地高度一般小于60 m，因此對能見度要求更高。當(dāng)起降點及測區(qū)內(nèi)能見度小于4 000 m時，應(yīng)禁止飛行。

風(fēng)對于直升機TEM測量的影響主要為飛行安全、線圈姿態(tài)和系統(tǒng)噪聲等方面。當(dāng)風(fēng)速達到一定程度時，對于飛行安全威脅最大的是側(cè)風(fēng)，而順風(fēng)時候飛行速度難以控制。風(fēng)速過大時，線圈姿態(tài)不易控制，接收的電磁響應(yīng)不準(zhǔn)確，影響測量效果。當(dāng)有風(fēng)時，應(yīng)在保證安全前提下，參考風(fēng)力、風(fēng)向及測量噪聲，再決定是否可以飛行作業(yè)。2019～2020年在雄安新區(qū)兩個測區(qū)使用AeroTEM系統(tǒng)作業(yè)共計46個測線架次，飛行時風(fēng)力均在4級(含)以下，測量動態(tài)噪聲均在±10 nT/s以下，滿足測量要求。

2.4 飛行高度影響

理想狀態(tài)下，直升機TEM在生產(chǎn)作業(yè)時應(yīng)保持同一飛行高度沿地形起伏飛行。但在實際飛行中，飛行員會因避讓測量區(qū)域內(nèi)的樓房、高壓線、樹木等提高飛行高度，對采集的數(shù)據(jù)質(zhì)量產(chǎn)生影響。為了解測量系統(tǒng)在不同高度下的電磁響應(yīng)衰減情況，使用AeroTEM系統(tǒng)在雄安新區(qū)白洋淀測區(qū)開展了不同高度飛行。在圖3中，隨高度增加，異常電磁響應(yīng)早期道幅值從2 800 nT/s衰減到200 nT/s，晚期道幅值從500 nT/s衰減到50 nT/s，早、晚期道幅值越來越接近；隨高度增加，電磁響應(yīng)信噪比降低，異常細節(jié)也相應(yīng)減少。

a—吊艙平均高度40 m;b—吊艙平均高度80 m;c—吊艙平均高度120 ma—average altitude of the loop is 40m;b—average altitude of the loop is 80m;c—average altitude of the loop is 120m圖3 L11890線不同飛行高度電磁響應(yīng)Fig.3 Electromagnetic response at different flight altitudes of line L11890

為保證測量質(zhì)量，雄安新區(qū)白洋淀測區(qū)的設(shè)計平均吊艙離地高度為50±10 m。按照測線統(tǒng)計，吊艙平均高度在60m以下的測線占總測線數(shù)的97%；吊艙平均高度在40±10 m區(qū)間的測線數(shù)占總測線數(shù)的78%；吊艙平均高度在46±5 m區(qū)間內(nèi)的測線占總測線數(shù)的62%。經(jīng)統(tǒng)計，雄安新區(qū)白洋淀測區(qū)的平均吊艙離地高度低，且所有測線的平均吊艙離地高度一致性保持較好。在實際作業(yè)中應(yīng)根據(jù)測區(qū)地形合理設(shè)計飛行高度，并控制各測線平均吊艙離地高度的一致性。

2.5 飛行速度影響

直升機TEM在作業(yè)中，由于自身的震動、飛機速度的不均勻及大氣氣流的變化等原因引起線圈在地磁場中切割磁力線或者地磁場的強度、方向發(fā)生變化，最終導(dǎo)致接收線圈內(nèi)磁通量改變而形成運動噪聲[12,15-16,25]。在實際生產(chǎn)作業(yè)中，飛行速度是引起運動噪聲的主要因素之一。下面將通過實測數(shù)據(jù)分析不同速度下對直升機TEM造成的噪聲影響。

通過TEM理論可知，采集的晚期道數(shù)據(jù)信號弱，更容易收到電磁干擾影響。從實測數(shù)據(jù)電磁響應(yīng)剖面(圖4)可以看出，最后3道噪聲水平要遠高于其他道，信噪比偏低，難以展現(xiàn)異常的響應(yīng)趨勢。所以，在實際生產(chǎn)作業(yè)中直升機TEM一般使用采集信號的最后3道電磁響應(yīng)曲線來評價本架次數(shù)據(jù)噪聲水平(圖5)；采用最后3道電磁響應(yīng)曲線峰—峰值的1/2代表噪聲大小。

圖4 實測數(shù)據(jù)電磁響應(yīng)Fig.4 Electromagnetic response of measured data

a—懸停;b—30節(jié)速度;c—40節(jié)速度;d—50節(jié)速度a—hover;b—speed 30 knots;c—speed 40 knots;d—speed 50 knots圖5 不同飛行速度下AeroTEM系統(tǒng)噪聲示意Fig.5 AeroTEM system noise at different flight speed

在雄安測區(qū)正式開工前，使用AeroTEM系統(tǒng)在高空背景下進行了直升機不同速度噪聲水平測試。在高空背景下，近似認為地面電磁信號為零，系統(tǒng)采集到的電磁數(shù)據(jù)即為噪聲。從圖5中可以得到直升機不同速度下系統(tǒng)噪聲大小：懸停噪聲為±1 nT/s；30節(jié)速度下噪聲為±2 nT/s；40節(jié)速度下噪聲為±5 nT/s；50節(jié)速度下噪聲為±6 nT/s(節(jié)：速度單位，1節(jié)≈1.852 km/h)。從不同速度下噪聲水平對比來看，飛行速度越快，系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的噪聲越大，從而對采集數(shù)據(jù)的質(zhì)量影響也越大。

為控制噪聲、兼顧效率，雄縣測區(qū)的設(shè)計平均飛行速度為40節(jié)。經(jīng)過統(tǒng)計：全區(qū)平均噪聲為±6.4 nT/s，噪聲變化區(qū)間為±(4～8) nT/s；全區(qū)平均速度為39節(jié)，速度變化區(qū)間為37～42節(jié)，其中平均速度在39±1節(jié)區(qū)間內(nèi)的測線數(shù)占總測線數(shù)的68%。

從統(tǒng)計結(jié)果可以看出雄安新區(qū)雄縣測區(qū)全區(qū)平均飛行速度選取合理，架次間平均速度一致性保持較好，噪聲控制較好。飛機在飛行過程中會引起線圈抖動，從而產(chǎn)生噪聲；速度越快發(fā)動機功率也越大，線圈抖動程度也會相應(yīng)增加，從而造成運動噪聲變大。但在實際作業(yè)中并不是飛越慢越好，應(yīng)是在噪聲水平符合質(zhì)量要求且兼顧效率前提下，保持直升機低速、勻速飛行。

2.6 其他影響因素

除上述提到的影響直升機TEM測量的因素外，空域協(xié)調(diào)也是影響飛行測量的主要因素。當(dāng)測區(qū)范圍較大，橫跨多個飛行協(xié)調(diào)區(qū)域時，應(yīng)按照協(xié)調(diào)區(qū)域?qū)y區(qū)分成相應(yīng)的區(qū)塊。這樣可以降低協(xié)調(diào)難度，提升飛行計劃通過率，進而提高飛行效率。

此外，架次飛行計劃的合理性也直接影響測量飛行效率。直升機TEM測線飛行時，每飛行1 h需要做高空背景場校正，這對架次飛行計劃制定提出了更高要求。以雄安新區(qū)白洋淀測區(qū)為例(圖6)，飛行計劃制定如下：① 直升機從起降點起飛后先進行高空背景場校正，然后進入測區(qū)東部測線飛行1 h后出測線，做高空背景場校正；② 下降高度進入測區(qū)中部測線飛行，飛行1 h后，從測區(qū)北側(cè)爬升高度進行高空背景場校正；③ 完成第3個背景場后，進入切割線飛行，然后做高空背景場校正后返航。該飛行計劃優(yōu)勢在于可充分利用高空背景場校正時爬升、下降及返航航路，提高單架次飛行效率。

圖6 白洋淀測區(qū)飛行計劃示意Fig.6 The flight plan of Baiyangdian area

3 測量系統(tǒng)穩(wěn)定性評價

測量系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于直升機TEM野外作業(yè)是至關(guān)重要的，測量系統(tǒng)的狀態(tài)是測量數(shù)據(jù)質(zhì)量的前提保證。

3.1 地面靜態(tài)測試

在測量前、測量中期及測量結(jié)束后，直升機TEM系統(tǒng)須完成3次不少于3 h的地面靜態(tài)測量試驗，計算儀器噪聲、GPS靜態(tài)定位精度以及發(fā)射峰值電流值等，檢查系統(tǒng)各儀器工作狀況。

以AeroTEM系統(tǒng)為例，在雄安白洋淀測區(qū)作業(yè)時共進行了3次地面靜態(tài)測量試驗。3次靜態(tài)測試中噪聲均小于或等于±3 nT/s；GPS靜態(tài)定位精度(2D)均小于1 m；每小時峰值電流漂移均小于或等于±1.5 A；系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集漏碼率均小于或等于0.06‰。以上統(tǒng)計指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。

3.2 架次系統(tǒng)穩(wěn)定性

直升機TEM測量過程中每架次針對測量系統(tǒng)的監(jiān)控可以讓從業(yè)者及時發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整系統(tǒng)狀態(tài)，保證測量任務(wù)的正常進行。以AeroTEM系統(tǒng)為例，主要監(jiān)控的系統(tǒng)指標(biāo)有兩個：內(nèi)校信號穩(wěn)定性及發(fā)射的峰值電流。

對每架次內(nèi)校信號統(tǒng)計時，取電磁信號早、中、晚各一道為代表進行對比統(tǒng)計。對雄安白洋淀測區(qū)31個架次內(nèi)校信號進行統(tǒng)計(圖7)，其中第3道電磁響應(yīng)值變化范圍在-90±3.6 nT/s，第8道為-62±3.1 nT/s，第12道為-28±1.7 nT/s。對架次峰值電流統(tǒng)計時候使用本架次測線上峰值電流的平均值(圖8)。經(jīng)過統(tǒng)計，31個架次峰值電流變化范圍均在400±7.6 A之內(nèi)。從31個架次的內(nèi)校信號和峰值電流統(tǒng)計結(jié)果來看，AeroTEM系統(tǒng)在白洋淀測區(qū)工作期間工作性能穩(wěn)定。

圖7 白洋淀測區(qū)高空內(nèi)校信號電磁響應(yīng)統(tǒng)計Fig.7 Statistical graph of electromagnetic response of internal signal at high altitude in Baiyangdian area

圖8 白洋淀測區(qū)架次峰值電流統(tǒng)計Fig.8 Statistical graph of flights peak current in Baiyangdian area

4 結(jié)論

筆者結(jié)合雄安新區(qū)白洋淀和雄縣兩個測區(qū)野外測量實例，對直升機TEM野外測量整體流程進行了梳理，分析了野外測量過程中存在的主要影響因素，進而為后續(xù)直升機TEM野外測量提供參考經(jīng)驗，并得到以下結(jié)論：

1)測量機型建議選用性能可靠且經(jīng)濟的小型飛機，例如小松鼠或AC311A；臨時起降點應(yīng)選在測區(qū)內(nèi)或緊鄰測區(qū)，且選址應(yīng)考慮高空背景場地點。

2)為減少天電影響，飛行日應(yīng)避免測區(qū)及周邊的陰雨(雪)、雷電天氣，風(fēng)力4級以上不建議飛行；飛行時起降點及測區(qū)內(nèi)能見度應(yīng)在4 000 m以上。

3)從實測數(shù)據(jù)看出，在執(zhí)行飛行任務(wù)時，應(yīng)在保障安全的前提下，盡量保持低高度飛行，且全區(qū)飛行高度要保持一致；飛行速度應(yīng)盡量保持在40節(jié)左右，在滿足噪聲水平質(zhì)量要求的前提下，兼顧效率，勻速飛行。

4)當(dāng)測區(qū)面積較大時，應(yīng)在考慮空管因素下劃分為若干小區(qū)塊；架次飛行計劃制定應(yīng)充分利用航路，提高飛行效率。

5)在開工前、測量中期及測量結(jié)束后做3次3 h以上的地面靜態(tài)測試，監(jiān)控測量系統(tǒng)各儀器指標(biāo)是否正常；對每架次的測量系統(tǒng)主要指標(biāo)進行監(jiān)控統(tǒng)計，保證每架次測量時系統(tǒng)性能穩(wěn)定。