1 引言
航空瞬变电磁法(Airborne Transient Electromagnetic Method，ATEM)是一种基于航空平台的瞬变电磁探测方法，该方法采用航空作为搭载装置，无需地面人员接近勘查作业区，特别适合高山、沙漠、湖泊沼泽、森林覆盖等地形复杂地区。由于采用飞行平台搭载，ATEM方法可有效克服地面条件限制，高效、精细地获取地电信息，已广泛应用于矿产、油气、地下水等资源勘探中。
2 ATEM基本原理
ATEM基本原理如图1所示：通过搭载于飞行平台的发射回线向地下发射脉冲电磁场(一次场)；在一次场激励下，大地内部产生涡旋电流；在欧姆效应作用下，大地内部的涡旋电流发生衰减，从而激励起新的电磁场(二次场)；通过观测二次场，提取并分析其中包含的地电信息，从而达到探测地下地质结构的目的。
图1 ATEM探测原理图（引自文献[2]）
3 ATEM系统设计关键问题
基于瞬变电磁探测理论，为实现更大的探测深度，要求系统发射端(发射机+发射回线)能够提供更大的发射磁矩，同时要求接收端(接收机+传感器)具备更低的噪声水平与更强的抑噪性能;为实现更高的探测分辨率，要求发射端能够实现更快的关断(使dI/dt具有更大的带宽)，接收端具备更大的观测带宽与动态范围。将上述技术要求进一步凝练，则可将传统瞬变电磁装备的关键技术凝练为：大磁矩快关断发射技术、宽频带低噪声传感器技术以及大动态低噪声接收机技术。但受限于飞行平台性能及航空观测方式，ATEM系统并非通过是传统瞬变电磁系统的简单航空搭载，影响其性能的因素多，落实上述三大关键技术的复杂度大幅提升，后期处理难度也更大，以下分别从发射端和接收端阐明存在ATEM系统设计的难题：
1）发射端难题：若要实现大磁矩，可以考虑增大发射电流峰值I、发射回线面积A及匝数N。但增加结构增大发射回线面积势必增大承载发射回线的框架结构总体尺寸，一方面也会增加总体重量，还可能导致结构空气动力学性能降低，在飞机有效挂载能力有限情况下，也是应当尽量规避的。相比地面系统几十微秒级的关断时间，航空系统的关断时间过长，导致激励信号的带宽过窄，尽管有助于实现大深度探测，但对浅部异常的分辨能力却也显著下降。同时，关断时间toff与发射回线自感L成正比，导致减小关断时间的需求与增大发射磁矩正好相反。
2）接收端难题：由于收发回线距离较近，On time段信号使接收系统深度饱和，影响Off time段数据的观测，也使全波形处理无法进行。为此，可以选择增大收发之间的距离，或者对On time信号进行补偿处理，使其进入接收系统的动态范围内。但无论哪种设计，均会产生连锁反应：
①增大收发间距的方法是使传感器远离发射平面，一般将其置于发射回线上方30 m左右，此时发射信号减弱至接收系统的动态范围内，不再引起数据饱和，但此设计造成传感器离地距离额外增加 30 m 左右，有用信号更小。
②采用反向磁通补偿线圈(Bucking Coil)，其与发射回传感器为共中心结构，可在位于中心点的传感器处产生与发射回线一次场等大的反向磁通，由此实现对一次场的抵消。但由于装配精度问题，所产生的反向磁通往往无法精确补偿一次场，从而导致剩余一次场(正负均可能)的存在。此外，由于反向磁通事实上也会产生反向瞬变电磁响应，这同样会导致观测响应小于其期望的理论值。
③将传感器布设于“零位置”(Zero Position)，即将感应线圈跨置于发射回线之上，使其中通过的正负一次场磁通彼此抵消。但由于安装调试过程只能在地面进行，测试时会有二次场进入数据，如此观测到的零位置并不是真正的零位置。当系统升空后，二次场幅度改变，零位置不准确将产生结果类似于前述剩余一次场，对数据质量构成影响。
综合上述问题可见，ATEM系统并非通过是传统瞬变电磁系统的简单航空搭载，影响其性能的因素多，设计与后期处理难度大。
4 ATEM装备发展现状
根据搭载的飞行平台不同，航空瞬变电磁探测系统可分为固定翼飞机航空瞬变电磁系统(Fixed-wing airborne TEM system，FTEM)与直升机载航空瞬变电磁系统(Helicopterborne TEM system，HTEM)两类。基于固定翼飞机与直升机的航空瞬变电磁系统均起源于20世纪中叶，曾有过一段固定翼系统与直升机系统并行发展的短暂时期。由于当时直升机技术尚不发达，无法对大磁矩发射所要求的供电与载重提供有力支持，因此未能得到进一步发展。相反，由于固定翼飞机可提供更大的供电功率和载重能力，于20世纪70年代后，逐渐成为航空瞬变电磁系统的主要搭载平台。但FTEM系统的应用又受到以下限制：1)对固定翼飞机的改装难度大，后期保障维护要求高水平的专业队伍；2)由于固定翼飞机起降依赖机场，系统在机场与测区之间的“无用”飞行往往较长，进而导致探测作业经济性降低。
相比FTEM系统，HTEM系统由仅采用挂载方式，对飞机改装要求低，保障维护成本低；并且可在测区附近建立临时起降场，以保证作业效率。此外，相比固定翼飞机，直升机的低空低速性能好，有利于实现更加精细的探测。20世纪90年代末，随着直升机技术的进一步发展，直升机的供电与载重性能均大幅提升，使其逐渐具备了支持大磁矩发射的能力。在此背景下，2000年前后“爆发式”出现了目前国际上几乎所有HTEM系统，市场上主流的系统(如图2)包括加拿大Geotech公司的VTEM系列、丹麦SkyTEM公司(及奥尔胡思大学)的SkyTEM系列、法国CGG公司的HeliTEM系列。目前国际上发射磁矩最大的HTEM系统VTEMSupermax，其发射磁矩约为1.3 MAm2，已超过FTEM系统“发射磁矩亚军”——前Fugro公司的MEGATEM系统(约1 MAm2)，表明HTEM系统在发射磁矩方面已全面接近FTEM系统。综合上述情况，基于直升机的HTEM系统逐渐发展为国际航空瞬变电磁技术的主流。
我国航空瞬变电磁装备的研发启动于改革开放初期，原地矿部物化探所、国土资源航空物探遥感中心(原航空物探大队)、原长春地质学院、北京地质仪器厂、桂林冶金研究所等单位均主持过航空瞬变电磁探测装备研发，但由于经费短缺而未能完成。2000年以来，经过对国际航空电磁方法及系统的追踪与深入研究，行业内已凝聚出“时间域航空电磁法已逐渐成为航空电磁法中最具潜力的方法”的共识。
图2 世界主流HTEM系统（引自文献[1]）
2010年以来，通过引进消化吸收加拿大Aeroquest公司AeroTEM-IV系统核心技术，国土资源航空物探遥感中心(后简称“航遥中心”)联合吉林大学等多家单位共同研发了我国首套硬支架直升机瞬变电磁系统CHTEM，如图3所示。CHTEM系统采用中心回线装置，发射线圈半径6 m，5匝，发射双极性梯形波，下降沿(关断过程)1.2 ms，占空比约1:4.4，最大发射电流450A(典型值400A)，峰值磁矩约0.26 MAm2，对比试验证明其性能指标全面超越 AeroTEM-IV系统，填补了国内空白。经过进一步升级，CHTEM系统的最大发射电流被提升到500A水平，下降沿被控制在1ms以内。
图3 CHTEM-I系统（引自文献[2]）
2013年以来，在国家重大科研装备研制项目“深部资源探测核心装备研发”支持下，中国科学院电子学研究所电子所联合吉林大学、厦门大学等单位，由俄罗斯引进ImpulseA5直升机航空瞬变电磁系统，在充分掌握Impulse-A5技术基础上，研制出我国首套实用化软支架大磁矩直升机电磁探测系统CAS-HTEM，如图4所示。CAS-HTEM系统全重550kg，峰值发射磁矩接近0.7 MAm2，峰值电流300 A，关断时间450μs，感应式磁场传感器的噪声达到0.1 nT/s。为增大接收动态范围，CASHTEM系统采用双增益通道策略，即对同一路信号按照不同的增益进行放大，然后再合成为一路信号的处理策略，增益倍数具有1/4、1、2、4、8、16等多档，可根据实际情况进行设定。CAS-HTEM系统常规仅进行Z轴磁场观测，但接收机具备6个通道(每两个一组，各具一个增益倍数)，使CASHTEM系统具备三轴观测的能力。此外，为在后期处理中对系统飞行姿态产生的误差进行评估与矫正，系统搭载航摄、三分量姿态传感器、后差分GPS、雷达及激光高度计等多种辅助传感器。
图4 CAS-HTEM系统（引自文献[2]）
通过对国际主流ATEM系统进行技术跟踪，我国自主ATEM系统已逐渐发展起来。尽管起步晚，但通过归纳总结西方国家前期的技术发展历程，具备了一定的后发优势。经过多家单位多年努力，目前已逐渐达到国际先进水平。
5 ATEM数据处理与反演成像
ATEM硬件设计的主要任务是在飞行平台供电及搭载能力有限条件下，实现系统探测性能最优化(即“深浅兼顾”)，而ATEM数据处理的主要工作是克服航空观测方式带来的各种干扰及限制，包括:(1)各种噪声的抑制;(2)姿态效应的矫正;(3)对硬件系统由“航空适应性设计”而引入的性能缺陷进行“补救”。
在完成数据处理后，通过成像、反演方法获取地下电性分布信息。成像的经典方法包括: 查表法、CDI/CDT、EMFlow等。在反演方面，ATEM反演的主流仍是一维反演，其速度快，技术成熟，但由于高维反演可提供更加精细的地电参数分布信息，仍是目前国内外科研机构研究的重点。
参考文献
[1] 武欣，薛国强，方广有. 中国直升机航空瞬变电磁探测技术进展[J]． 地球物理学进展，2019, 34( 4) : 1679-1686．
[2] Wu X, Xue G Q, Fang G Y, et al. The Development and Applications of the Semi-Airborne Electromagnetic System in China[J]. IEEE Access, 2019, 7: 104956-104966.
[3] 殷长春，张博，刘云鹤等． 航空电磁勘查技术发展现状及展望[J]. 地球物理学报, 2015, 58(8): 2637-2653.