《Sensors》：Sensing Platform Technologies of the Transient Electromagnetic Method for Urban Underground Space Detection: Challenges and Advances
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随着城市地下空间与基础设施开发加速，埋地管道、综合管廊、地铁隧道、空洞缺陷及深层隐蔽隐患等地下要素日益交织。因此，城市目标探测具有显著的尺度差异、强烈的环境干扰和严重受限的操作空间。瞬变电磁法（TEM）因其固有优势，包括非接触式操作、适应硬化路面、对低阻异常高
随着城市地下空间与基础设施开发加速，埋地管道、综合管廊、地铁隧道、空洞缺陷及深层隐蔽隐患等地下要素日益交织。因此，城市目标探测具有显著的尺度差异、强烈的环境干扰和严重受限的操作空间。瞬变电磁法（TEM）因其固有优势，包括非接触式操作、适应硬化路面、对低阻异常高灵敏度以及能探测大范围深度，在城市地下空间快速调查和隐患识别中极具价值。近年来，研究已从改进孤立仪器转向协同优化传感平台、发射-接收系统、抗干扰方法和成像反演工作流程。具体而言，小线圈配置和高频激发技术改善了城市受限空间中的浅层探测能力；抗干扰技术提高了复杂噪声环境中的数据可靠性；视电阻率成像、虚拟波场偏移和快速反演方法使剖面结果从定性识别过渡到精细解释。同时，地面拖曳、无人机载、直升机载和半航空平台的发展，逐步赋予城市TEM剖面连续、移动和场景特定的操作能力。展望未来，城市TEM技术需要进一步在浅层分辨率、深部穿透、多源干扰解耦和实时并发成像方面取得技术突破。
论文主体部分总结如下：
1. 引言
随着智慧城市建设加速，城市地下空间的有序开发和安全运行成为城市可持续发展的命脉。地下工程密度激增使得道路塌陷预警和复杂管线探测面临挑战。瞬变电磁法（TEM）对低阻异常敏感，具备非接触、高分辨率等优势，适用于城市地下空间精细探测。与电阻率层析成像（ERT）、探地雷达（GPR）和浅层地震勘探相比，TEM在城区具有显著优势：ERT需电极耦合，不适用于硬质路面；GPR在导电介质中探测深度有限（通常小于5 m）；浅层地震在噪声环境下信噪比低。而拖曳TEM系统可达到5–10 km/h的连续剖面采集速度，覆盖深度从小于1 m到数百米。然而，城市环境中的强电磁干扰和狭窄操作空间对TEM技术提出了挑战，推动传感平台从固定点静态测量向动态连续扫描发展，出现了地面拖曳、半航空、直升机载和无人机载等移动平台。该综述旨在系统概述城市地下空间探测中TEM传感平台技术，包括关键技术进步、不同移动平台演化与应用，并讨论工程挑战与未来方向。
2. 关键技术方面
2.1 小线圈与高频技术
在城市地下空间探测中，传统大线圈系统难以部署，小线圈TEM因其紧凑的工作足迹而具有独特价值。核心挑战在于极短探测距离内平衡发射功率、关断盲区和信号保真度。为抑制一次场干扰，研究人员提出了多种结构去耦技术，如交叉线圈（crossing-loop）配置、非共面正补偿去耦技术、对线圈差分测量方法等。在电路层面，研发了恒压钳位、二阶快速放电等电路，有效缩短关断时间并减少过冲。在发射策略上，采用多脉冲组合发射、半正弦波与梯形波复合激发等方式，兼顾浅层分辨率和深部能量穿透。这些技术协同优化，旨在进一步降低早期盲区，提高浅层有效信号质量。
2.2 噪声抑制
城市TEM面临复杂干扰源，包括电力线噪声、运动感应噪声（MIN）和地下金属管线耦合效应。现有抗干扰方法沿三条路径推进：自适应时频电力线抑制、运动感应噪声物理隔离、以及数据驱动的多维干扰抑制。对于电力线噪声，采用参考通道校正、小波处理、自适应滤波等方法，并发展出基于数学建模和智能优化的动态锁定策略。对于运动感应噪声，通过机械隔振、柔性悬挂、平行空心线圈传感器等物理隔离方法从源头抑制。对于金属设施耦合干扰，采用数据驱动方法如深度去噪自编码器（DDAE）与迭代重加权最小二乘（IRLS）结合，自动识别和重构受污染数据段。总体趋势是从后处理被动降噪向全流程主动抗干扰转变。
2.3 成像技术
TEM成像技术的效率和精度是实现城市地下空间透明化的关键。研究从单一参数推导转向视电阻率精确定义、虚拟波场偏移（VWM）成像和多分辨率实时成像。视电阻率定义方面，发展了基于电场分量阶跃响应、差分脉冲全时段视电阻率等方法，扩展了探测维度。虚拟波场偏移技术将扩散电磁场转换为虚拟波场，利用地震偏移成像技术清晰刻画地层界面。多分辨率虚拟波场偏移通过多频段融合，兼顾浅层细节和深层结构。快速成像方面，广义一维快速成像和极限学习机（ELM）等方法显著降低了计算开销，支持大规模城市扫描数据的准实时处理。不同成像方法适用于不同条件：单分量定义适用于准层状介质，电场定义对深部高阻结构敏感，差分脉冲定义适用于半航空配置。
3. 城市场景中的传感平台
3.1 地面移动/拖曳平台
传统固定点TEM效率低、横向分辨率不足，因此出现了小型化、动态连续扫描的地面移动平台。代表性系统包括：VETEM（1994年，美国地质调查局开发），采用分离线圈或偏心配置，解决超浅层成像问题；AgTEM（2012年，澳大利亚），引入补偿线圈实现零耦合，探测深度30 m（最大60 m），横向分辨率约10 m；tTEM（2018年，丹麦奥胡斯大学），采用大偏移分离配置和双矩激发，低矩模式关断时间2.6 μs，高矩模式电流30 A；JLU-UtTEM（吉林大学），集成非共面补偿结构于非金属拖车底盘，实现连续动态扫描；FCTEM60（重庆大学），采用恒压钳位和交叉线圈去耦，电流60–120 A，关断时间小于85 μs；CUGTEM-TY（中国地质大学），基于共面对线圈瞬变电磁法（OCTEM），有效抑制浅层盲区。未来地面平台将向接收器阵列和多物理场集成方向发展。
3.2 空中平台
空中平台可绕过地面障碍和受限区域，实现非接触探测。早期有人直升机系统如SkyTEM、AeroTEM和CHTEM系列，磁矩大但关断时间长，不适于浅层精细探测。随后发展的轻量化无人机（UAV）平台，如SibGIS和国内多旋翼TEM系统，可保持10–20 m飞行高度，即使低功率发射器也能获得高信噪比数据。半航空TEM（semi-airborne TEM）将发射系统置于地面，无人机搭载轻量传感器空中记录信号，平衡了探测深度和操作灵活性。代表性系统有SATEM（山东大学，接收器重量<3 kg）和DESMEX（Becken等人，集成光纤激光陀螺仪实时测量姿态）。未来空中平台将向传感器阵列和多无人机协同网络发展。
3.3 现场实验
地面移动平台实验：吉林大学An等人在长春城市道路和地铁施工区使用自研rTEM系统进行现场实验，证实了在交通条件下对地铁设施和地下水聚集区的连续监测能力。重庆大学Xu等人在防空洞场地使用FCTEM60-1系统，通过粒子群优化（PSO）反演精细描绘了防空掩体和水管等小尺度目标。空中平台实验：长安大学针对东部某城市构建三维地质模型，采用接地源半航空TEM配置进行数值模拟，成功探测到低阻通道，验证了半航空系统在复杂城市环境中探测隐蔽隐患的能力。现场实验表明，不同平台各有适用场景，需根据目标深度、场地开放程度、空域限制和交通条件选择，图7给出了平台选择决策框架。
3.4 典型城市场景中传感平台的适用性与局限性
在新建城区（开阔路面），拖曳TEM适合高分辨率连续剖面，直升机TEM适合快速区域普查，但后者对超浅层目标不适用。在老城区（密集管道），小线圈拖曳系统结合结构去耦和主动降噪适应性更强，但完全分离基础设施响应仍具挑战。在隧道施工区，车载系统沿施工道路运行，但受振动和金属干扰影响，无人机和半航空系统可在入口和受限区域提供非接触探测。在灾后废墟或受限区域，地面平台不可用，无人机和半航空系统提供快速侦察替代方案，但发射功率有限，限制深部探测能力。
4. 讨论
城市地下空间探测面临三个关键问题：（1）探测深度与浅层分辨率的物理权衡：传统单波形无法同时满足大深度能量穿透和浅层高频细节，多波形复合激发策略是突破方向，利用窄脉冲高频成分探测浅层隐患，宽脉冲高能量穿透深部管廊。（2）多物理场融合的必要性：单一地球物理方法难以同时满足精细浅层识别、深部异常探测和结构边界刻画，结合瞬变电磁与地震/振动传感或GPR的协同平台能显著降低非唯一性，提高道路塌陷预警精度。（3）基础设施耦合效应的处理方法：现有基础设施（金属管线、检修井等）产生强耦合效应。两种策略：一是作为噪声消除，通过优化时间窗或比例校正算法分离真实异常；二是作为示踪信号，将管线参数纳入正演模型实现精确解耦，从而定位管线本身并分析周围松动或空洞。工程实现受限于发射功率、数据同步、先验知识缺失和接收器动态范围等瓶颈。
5. 结论与展望
5.1 结论
（1）传感器硬件性能显著提升：高频快速关断电路和非共面补偿配置成功抑制互感，压缩早期盲区，实现近地表隐患高精度扫描。（2）干扰抑制从被动转向主动：硬件在线校准、机械减振架构和深度学习算法使城市强噪声背景下弱信号提取成为可能。（3）载具平台和操作模式多样化：地面拖曳、无人机载、半航空等平台在探测深度、空间分辨率、效率和部署约束间取得平衡。（4）成像和反演算法进步：虚拟波场偏移、多分辨率成像和基于学习的快速反演提高了解释精度和计算效率，支持准实时处理。
5.2 展望
未来城市TEM探测将聚焦三大前沿：（1）全自主智能平台：无人地面车辆（UGV）与无人机（UAV）协同编队，解决GNSS拒止条件下时间同步和自主避障瓶颈，实现复杂破碎地表下的整体信息获取。（2）多元素数据融合：融合电、磁、力学、声学等多地球物理场，采用结构耦合联合反演和物理引导深度学习，克服非唯一性，构建高保真三维地下电模型。（3）实时透明预警：借助高速边缘计算和云计算架构，实现在线并发成像和自动隐患识别，突破轻量化反演引擎和实时数据传输瓶颈，使TEM成为城市基础设施结构健康监测的嵌入式数字传感器。
