新型轻量化高频电磁感应传感器在多年冻土探测与制图中的应用研究

《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》：A Novel Lightweight Electromagnetic Induction Sensor for Permafrost Detection and Mapping

本文推荐一种新型轻量化高频电磁感应（FDEMI）系统，该系统通过电子补偿线圈和主动场抑制技术，填补了传统电磁感应（EMI，工作频率几赫兹至几十千赫兹）与探地雷达（GPR，工作频率几十兆赫兹至几百兆赫兹）之间的频率空白。研究人员针对北极和亚北极地区近地表冻融模式的空间探测难题，开发了可在100 kHz至数兆赫兹频段工作的无人机载FDEMI传感器，实现了对低电导率土壤和多年冻土深度变化的高分辨率、非侵入式测量。该系统在阿拉斯加Fox地区不连续多年冻土带的实地测试中表现出优越的稳定性和灵敏度，为寒区基础设施安全和碳循环研究提供了重要技术支撑。

　　

随着全球气候变暖加剧，北极地区正以全球平均四倍的速度升温，这一现象被称为“北极放大效应”。由此引发的多年冻土融化不仅导致土壤失稳、侵蚀加剧，还威胁到道路、桥梁和建筑物等基础设施的安全。多年冻土是指持续两年或以上温度保持在0°C或更低的土层，其表层季节性冻融的部分称为“活动层”。准确探测活动层厚度及冻土空间分布对寒区工程建设和环境监测至关重要。

目前，探测多年冻土的主要地球物理方法包括电磁感应（EMI）和探地雷达（GPR）。传统EMI传感器工作在低频段（几赫兹至几十千赫兹），对土壤中的涡流敏感，能探测数十米深度，但空间分辨率较低（>1米）。GPR工作在高频段（几十兆赫兹至几吉赫兹），对位移电流敏感，可实现厘米级浅层探测，但其穿透深度有限。两者在频率响应和探测机制上存在明显断层，限制了其对冻土电导率（σ）和介电常数（ε）的联合反演能力。

为解决这一难题，由Michele Maxson、Benjamin Barrowes等研究人员在《IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing》上发表了一项创新研究，提出了一种新型轻量化频率域电磁感应（FDEMI）传感器。该系统通过电子补偿和主动场抑制技术，将工作频率提升至100 kHz至数兆赫兹的中间频段，填补了传统EMI与GPR之间的探测空白，为多年冻土的高分辨率三维制图提供了新手段。

在技术方法上，作者首先基于二层介质模型（活动层与冻土层）理论，通过数值模拟分析了传感器高度、频率对二次磁场响应的影响，并利用阿拉斯加Fox地区的电阻率层析成像（ERT）和介电常数实测数据校准模型参数。传感器系统采用双线圈设计：主发射线圈通过LC谐振增强磁矩，补偿线圈通过电子反馈实现主动一次场抑制。数据采集基于Red Pitaya? FPGA板卡，通过傅里叶变换提取信号幅值与相位，并结合背景扣除与归一化处理提高信噪比。

系统设计与性能验证

研究团队设计了一种线圈间距为1.68米的轻量化FDEMI传感器，总重不超过6.8公斤，适用于无人机搭载。系统通过几何布设与电子补偿相结合的方式抑制一次场：补偿线圈通过电流调节产生与主发射场幅值相等、方向相反的磁场，再经FPGA闭环算法优化残余场抑制效果。在93 kHz和330 kHz双频点测试中，系统在淡水湖（新罕布什尔州）和冻土区（阿拉斯加）均表现出优异的信号稳定性，标准差比商用GEM-2传感器低数个量级。

冻土探测灵敏度分析

通过二层模型模拟发现，在冻土典型电导率（σ₂=3.2 mS/m）和介电常数（ε_r2=5）条件下，垂直接收线圈（H_ρ）在100 Hz频段可探测0.8–1.7米深度的冻土界面，而水平线圈（H_z）需高于1 MHz才能实现米级分辨率。传感器高度对探测深度影响显著：距地面0.5米以上时，补偿线圈对信号的贡献不足1%，验证了系统在近地表探测中的可靠性。

实地数据对比与优势

在阿拉斯加Fox地区的实测中，新FDEMI系统与GEM-2在93 kHz频点的数据对比显示，前者在冻土边界处的响应斜率随高度变化更明显，且对不同频率的区分度更高。例如，在冻土顶板深度87厘米的位置，330 kHz信号的幅值变化率是93 kHz的1.5倍，表明高频成分对浅层介电特性更敏感。而GEM-2多个高频数据（27.5–93 kHz）的响应趋势高度一致，难以反演层状结构参数。

研究结论表明，该FDEMI系统通过填补传统EMI与GPR之间的频段空白，实现了对冻土电导率和介电常数的联合敏感。其轻量化设计与无人机兼容性为寒区大范围、高分辨率冻土制图提供了可行方案。未来通过扩展频段至1 MHz以上、引入正交源信号处理技术，有望进一步提升对冻土三维边界的识别精度，为气候变化下的寒区工程风险评估和碳循环研究提供关键数据支撑。