直升机时间域电磁法系统

10.2　直升机时间域电磁法系统

10.2.1　概况

直升机电磁法始于1955年，也是从频率域方法开始的。到目前为止，直升机频率域电磁法系统，总共出现过将近30种型号。直升飞机时间域电磁法系统开发稍晚。1968—1971年，苏联开发过名为AMPP2型的AEM，情况不详^［3］。据说目前俄罗斯有一种Impuls A2型的直升飞机时间域电磁法系统已投入常规作业，但是情况也不详^［13］。

1982年，加拿大地球物理学家将INPUT系统装上直升飞机取名HeliINPUT，这种系统在直升飞机机舱底部安装一个“井”字形的水平支架，发射回线挂在支架的8个端点上。这以后经过了十几年的停顿，突然从1997年开始，直升飞机时间域电磁法系统的研究与开发进入了新的、十分活跃的时期。从1968年到现在，先后共有14个型号的直升飞机时间域电磁法系统出现（不算派生出来的型号），其中11种型号是1997年到2005年问世的，可见当今航空地球物理方法发展的强劲势头。直升飞机时间域电磁法系统的技术，或者来自固定翼时间域电磁法系统，或者来自地面时间域电磁法系统加以适当地改装。

最近开发的直升飞机时间域电磁法系统，除了个别的，都是将发射机线框和接收机一起吊放在直升飞机下方，电缆长约60m。可以说是把一个固定翼时间域电磁法系统的发射机和回线与接收机拼装在一起，或者把一个地面时间域电磁法系统整个用直升飞机吊起来，在飞行中进行测量。近十年来，问世的直升飞机时间域电磁法系统有：南非Spectrem Air的ExplorHEM（1997）、HELITEM（1997）；加拿大Aerodat的HELIQUESTEM（1997）；加拿大T.H.E.M.Geophysics Inc.的THEM（1998）；美国Newmont Mining Corporation的NEWTEM（1998）；澳大利亚Normandy Exploration的HOISTEM（1998）；加拿大Aeroquest International的AeroTEM（1999）；加拿大McPhar Geophysics Pty Ltd.的SCORPION（2002）；加拿大Geotech Ltd.的VTEM（2003）；丹麦Aarhus大学的SKYTEM（2003）；加拿大Fugro的HELIGEOTEM（2005）；美国橡树岭国家实验室的ORAGSTEM（2003）。其中，有几个系统（如VTEM）已经商品化了^［20］。

以下简单介绍几种具有特色的系统。

10.2.2　HeliGEOTEM

2005年Fugro公司首次推出该公司第一个宽带、大功率的直升飞机时间域电磁法系统——HELIGEOTEM，这种系统采用了GEOTEM/MEGATEM许多成熟的技术，直升飞机电磁法系统作业灵活机动、水平分辨力高。HELIGEOTEM的配置与GEOTEM/MEGATEM大不相同。从直升飞机到发射机的电缆长60m，用作电源的发电机和发射脉冲的发生器安装在回线中央。回线直径11m，2匝。发射磁矩23×10⁴ Am²，发射电流的波形为半正弦波，宽度4ms，基本频率30Hz。接收机（还有磁力仪）在直升飞机之下20m，在发射回线之前约20m。用GEOTEM的多分量接收机测量二次异常响应的三个分量x、y、z，在通电和断电时间内测量dB/dt和B。在HELIGEOTEM系统中，接收机与发射回线中心之间的水平距离约20m，相比之下，GEOTEM系统的相应距离约130m，因而HELIGEOTEM的水平分辨力较高。直升飞机速率50～60节（92.5～111km/h），在正常飞行时，发射回线距地表40m，接收机距地表80m^［22］。

10.2.3 ExplorHEM

ExplorHEM是南非Spectrem Air公司于1997年研制成功的直升飞机时间域电磁法系统，使用方便，直升飞机只需给计算机供电，发射机/接收机和系统的供电电源（NiMH电池）组成机外吊放部分，悬挂在直升飞机下方。发射回线架设在一个方框上，方框沿对角线方向固定在一根管子上，接收机在管子的一端，同时连续测量三个分量。发射电流240A（峰峰值），方波上升时间210μs，占空率100%（no offtime）。发射磁矩15 500Am²（RMS值）。基本频率25Hz、30Hz、37.5Hz、45Hz、60Hz、75Hz、90Hz。系统带宽25～46kHz^［22］。

10.2.4　NEWTEM/HoistEM

美国的Newmont Mining Corporation公司20世纪50年代就开发了航空电磁法系统，在1975—1989年间，该公司开发并应用地面大功率、探测深度大的时间域电磁法系统。1998年开发了一种直升飞机时间域时间域系统——NEWTEM。NEWTEM的发射电流为方波，基本频率30Hz，通电时间与断电时间相等，关断时间0.1ms。回线直径20m，发射磁矩80 000Am²。100kHz快速取样，在断电时间内测量x和z分量。该系统用作在良导体和不良导体的环境下找矿和其他地质调查工作。这种航空电磁系统已证明可在一些很严酷的条件下作业。在秘鲁安第斯山海拔超过4200m、测线上地形起伏超过1500m的高山地区成功地进行了探矿飞行［23～24］。

澳大利亚Normandy公司与Newmont Mining Corporation公司共同研究开发了NewTEM/HoistEM直升飞机电磁法系统。澳大利亚的HoistEM性能与NEWTEM相近，可用于工程、地下水、环境调查和海洋测深^［25］。

图10-8　VTEM系统配置^［30］

接收器与发射回线在同一平面内，接收器位于中心，磁力仪在直升机下方缆线1/3处

10.2.5　VTEM

Geotech Ltd.的VTEM是通用时间域电磁法（Versatile Timedomain Electro Magnetics，VTEM）系统的简称。它的特点是发射磁矩大。该公司声称VTEM探测深度可达500m。目前有8个系统在世界各地作业，另有两个系统正在开发。主要特点：基本频率从25～200Hz可选择，基本频率低可使穿透深度大一些；采用梯形脉冲，宽度1～10ms可选择；发射磁矩可达75×10⁴ Am²，可选择；接收线圈和发射回线是同心的，相对位置固定，可以避免异常的变形；由直升飞机供电，不需要发电机；采样率可达200kHz，可选择；系统带宽达20kHz，质量350kg；GPS导航系统的GPS接收机可以在飞行中提供导航控制，定位精度（圆误差概率，CEP）为1.8m（图108、图109）；还配备有雷达测高仪，测量距地面高度的精度约为1m。由于采用精确的GPS定位以及正确的确定目标的产状的解释方法，可以根据VTEM测量结果直接钻探，试验结果表明，效果不错。而固定翼飞机时间域电磁法观测系统，如MEGATEM却做不到这一点。因此，用直升飞机EM可以代替地面EM，费用只有进行地面工作所需费用的15%。

图10-9　在挪威Geotech的VTEM线框和磁力仪准备飞行^［17］

Geotech Ltd.已制造了八套VTEM，在南、北美洲，欧洲，非洲和澳洲进行作业飞行，从2000年到现在，已经完成了16×10⁴测线公里。该公司计划在2006年上半年以前，再制造两套VTEM，以满足需求［26～28］。

Geotech公司的新型megaVTEM收录z、x、y三方向的dB/dt及B场的测量数据。接收器的时间窗从5μs到13.1ms，50道。发射器的偶极矩达1.5×10⁶ NIA^［17］。

Geotech公司还研发了早期（取样时间尽可能提前）VTEM系统，用于浅层填图，如水文地质调查及金伯利岩勘探。这种新系统已经过试验和勘查飞行，并取得良好成果。

另外一种新型VTEM系统，内部称为VTEMEXTREME（极限的VTEM），正在进行测试。VTEMEXTREME系统有一个特别大的回线（直径43m），发射磁矩达2.5×10⁶ NIA，可以说是发射矩最大、信噪比最好的航空TDEM系统^［29］。

10.2.6 SkyTEM

SkyTEM是丹麦Aarhus大学水文地球物理小组设计开发的，用作地下水和环境调查工作中的近地表地质填图，可以代替地面时间域电磁法快速开展工作。SkyTEM是一个独立的系统（图1010），除了直升飞机驾驶员，机上不需要操作员操作仪器设备。发射机和接收机、供电电源、激光测高仪、全球定位系统GPS、电子设备及数据记录器全都吊放在直升飞机下方。发射回线绕在木质12.5m×12.5m的方框上，共4匝。使用小磁矩工作时，用1匝，电流30A，关断时间约4μs；使用大磁矩工作时，用4匝，电流50A，关断时间约80μs。最大发射磁矩2×10⁴Am²。接收线圈固定在方框的一个角上，高出1.5m。系统总质量280kg。野外作业时，在测区内设一个重复观测的基站，大约每1.5小时当直升飞机加油时，在基站上进行重复观测，以监控系统的稳定性。

图10-10　SkyTEM系统在格陵兰飞行^［13］

丹麦科学家打算进一步改进SkyTEM。在仪器方面，增大发射磁矩［要求达到（6～8）×10⁴ Am²］，要求接收机在发射电流切断后10μs即开始测量，提升直升飞机的飞行高度；在解释方面，研究开发合适的数据处理方法以降低噪声和耦合效应，研究反演方法［31～33］。

丹麦推出直升机TDEM系统SkyTEM后，几年来不断扩展工作范围，改进技术，2010年，按合同在澳大利亚、丹麦本国、芬兰、德国、格陵兰（丹麦的自治领地，在北美洲，面积217×10⁴km²）、西班牙和美国进行了TDEM/磁测飞行^［14］。

在技术方面，SkyTEM的研发团队已进入TDEM系统重要革新的测试阶段。发射磁矩已增大到约50×10⁴ NIA，比标准装置高四倍，回线有8匝，面积500m²。接收器从20μs开始进行测量。SkyTEM还能够加大电流（到两倍），使磁矩达到1×10⁶ NIA。他们有五个分队，有能力在全球各地工作，在丹麦总部还有备用的系统^［14］。

图10-11　SkyTEM　TDEM在格陵兰组装发射回线^［13］

10.2.7　ORAGSTEM

美国橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory，ORNL）为了探测UXO以及工程和环境调查等方面的需要，研制了三套航空地球物理系统：测量地磁场总磁场强度的箭头系统（ORAGSArrowhead system）；测量地磁场垂直梯度的系统（ORAGSVG system）；直升飞机时间域电磁法系统（ORAGSTEM），ORAGS是橡树岭航空地球物理系统Oak Ridge Airborne Geophysical System的缩写。ORAGSTEM发射回线的架设方式与HeliINTUT相似，在直升飞机下面紧贴机舱架设一个矩形框架，左右宽13m，前后长3m，发射回线敷设在框架上。HeliINTUT的发射磁矩与固定翼INPUT的差不多，接收机也是用电缆吊放在直升飞机下方。与HeliINTUT不同，ORAGSTEM的接收线圈不是吊放在直升飞机下方，而是安装在框架上，因此直升飞机可在距地面1～2m的高度上飞行，探测的分辨力很高。ORAGSTEM的主要指标如下。发射机：电流30A（峰值），正反交替方波，通、断电时间相等，切断时间110～230μs（根据回线而定）；基本频率30Hz、45Hz、75Hz、90Hz、135Hz、270Hz，发射回线为矩形13.0m×3.0m，也可采用对称旁瓣3.0m×3.0m和反对称旁瓣3.0m×3.0m的方式，匝数4，最大发射磁矩4680Am²。接收机：采样率10.8kHz，第一个采样窗口在切断电流后0～93μs，试验型道数为2道，生产型道数为8道，接收线圈可用大线圈2.7m×2.7m，或用多匝小线圈23cm×60cm（还可排列成梯度对）。此外还有高度计、定位和导航用的GPS/DGP以及测量姿态的仪器。电源28Vdc 30A［34～36］。