0 引言

我国具有多个川河入海口，河流携带大量泥沙，近岸区海流作用弱，泥沙沉积在海底为掩埋创造了条件。近年来近岸水下管线工程不断建设，多以掩埋状态存在。为了掌握海底管线情况，及时排除隐患，保障资源传输线路稳定，需要通过掩埋目标探测确定管线位置和状态。水下掩埋目标探测在军事领域同样意义重大，世界各国围绕维护海洋权益的斗争愈演愈烈，谁能率先掌握成熟的军事类掩埋目标探测技术，就能在面对各种掩埋武器威胁时抢占先机。以上掩埋目标，都由金属材料构成或存在导电元件，基于电场探测掩埋目标有充分可行性。此外，在海底资源勘探、海洋环境评估监测、地质学研究、沉船及文物搜索等领域，掩埋目标探测技术也亟待发展，针对这些目标的探测具有广阔的前景。电场探测技术凭借其强穿透性，能实现对较深掩埋目标的探测；同时，它的探测范围覆盖整个区域，效率较高。

1 主动电场探测原理

主动电场掩埋目标探测依靠外部源主动发射电场信号，通过测量环境电位实现目标探测，这种技术起源于仿生学研究。20 世纪 50 年代^[1]，国外学者在亚马逊河流域发现了弱电鱼，这种鱼通过放电器官发射电信号，皮肤组织接收信号，利用主动电场克服水下环境干扰，探明天敌、猎物以及障碍物。

对弱电鱼主动电场探测原理进行分析时，可以将放电器官理想化等效为一电偶极子帮助分析，电偶极子由一对大小相等极性相反的理想带电粒子组成^[2]。对于理想的带电粒子 Q，距其 r 处的电场强度为式 1。

式中：$\epsilon$是电导率； r 表示电荷与目标点的矢量距离，大小等于 r，方向由电荷极性决定。

由叠加原理，距电偶极子 r' 处位置的场强由两电荷单独存在时的场强叠加得到：

式中， r₊ 和 r_- 表示目标点与正负电荷之间的矢量距离，大小分别为 r₊ 和 r_-，方向由电荷极性决定。由电场强度等于电势负梯度可得，在对应点 r' 处电偶极子产生的电势为

在利用主动电场探测水下目标时，发射源等效为电偶极子，在电偶极子形成的场中，目标有多种类型，以材质均匀，形状为球体的目标为例^[3]，能得到它对电偶极子场中电势产生的影响：

式中：$\phi （l）$为球形物体产生的电势扰动${\rho }_1$、${\rho }_2$分别为介质层和球体的电阻率；${\epsilon }_1$、${\epsilon }_2$分别是介质层及目标球体的介电常数； E₀ 是没有目标时电偶极子在该处产生的电场强度； a 为球体半径； l 为球心到电偶极子中点的矢量距离；w 为发射源的角频率。

当发射为直流信号时，f=0，由 w=2πf 可得 w=0，于是：

当不存在目标时，${\rho }_1$=${\rho }_2$，则有下式（6），说明没有目标存在时，不会产生扰动，反映了没有探测到物体。

当目标为超导体时，即 ${\rho }_2=0$，有：

当目标为理想绝缘体时，电阻率趋近无穷大，介电常数极小，即${\rho }_1<<{\rho }_2，{\epsilon }_2<<{\epsilon }_1$，于是：

综上可以看出，待测目标与源的距离、待测目标的电导率、形状以及沉积层的电导率均会使初始电场发生特异性变化，针对这种变化特征进行分析，能够帮助确定目标。

2 水下电场传感器现状

主动电场探测技术的核心部件是高性能、高灵敏度的水下电场传感器。海水腐蚀性强，且待测目标电场信号具有强度小和频率低 2 个显著特点。在水下电场探测过程中，为了有效测量电场信号，电场传感器的自噪声要足够小，灵敏度要足够高，才能保证获取低频电场信号时不遗漏；电极还要有较强耐腐蚀性保证长时工作的稳定性^[4]。

满足以上要求用于海水电场测量的传感器主要有 2 类：一种是碳、钛、银等惰性元素制成的电极，另一种是银、镉、铅等元素氯化物制成的电极。最典型的是碳纤维和氯化银（Ag/AgCl）电极。碳纤维电极利用电容耦合的方式测量电场信号，表面不发生法拉第过程，稳定速度快，具有比表面高、电导率强以及稳定性好等优势，但不适合在低频下工作。Ag/AgCl 电极在海水中会发生电化学反应，建立起电化学平衡后用于测量，但不适用于需要快速部署的情况。

目前国外机构在高水平电场传感器研制上成果显著。英国 Ultra 公司研制的 Ag/AgCl 电极，测量带宽为 1 MHz~3 kHz，自噪声水平极低为 0.5 nV/√Hz@1 Hz，保证了电场测量时的精度。 Suspection 公司研制的 Ag/AgCl 电极，自噪声水平达到了 1 nV/√Hz@1 Hz，兼顾了高灵敏度^[5]。瑞典 Polyamp 公司^[6]采用碳纤维作为电极材料，几十万根碳纤维在电极中有效增大了接触面积，测量带宽为 3 MHz~1.1 kHz，自噪声达到了 1 nV/√Hz@ 1 Hz。韩国国防发展局^[7]的技术团队也研制出了灵敏度小于 1μV 的 Ag/AgCl 电极，但自噪声水平较高。

国内海军工程大学最早开展了水下电极研究，申振^[8]等应用聚丙烯腈碳纤维制备的电极自噪声仅有 1 nV/√Hz@1 Hz。西安电子科技大学的卫云鸽^[9]研制的 Ag/AgCl 电极采用了多孔构型。中国地质大学（武汉）的徐建梅^[10-11] 团队先后利用电镀银纳米线法和醇热法，研制出自噪声水平为 1.38 nV/√ Hz @1 Hz 的碳纤维电极以及 1.03 nV/√Hz@1 Hz 的银纳米线电极。中国海洋大学的宰学荣^[12]等人研制了自噪声水平 1.07 nV/√Hz@1 Hz 的电化学氧化碳纤维电极。此外，中国科学院大学的王志宇^[13] 等另辟蹊径，烧结和氧化钽粉的钽材料电极自噪声仅有 0.67 nV/√Hz@1 Hz。下表对国内外电极进行了对比，可以看出，国内电场传感器正蓬勃发展，部分参数水平正迈向国际先进水平。

3 主动电场探测水下掩埋目标现状

目前主动电场探测水下油气资源等掩埋目标的理论研究已趋于完善，技术实现了商业应用。海洋可控源电磁法（Marine Controlled Source Electromagnetic，CSEM）是一种针对海底油气田、矿产等目标，以地壳中岩矿的电导率差异为基础，在海底利用主动信号源发射电场信号，幅值、频率等参数能实时控制，在海底布设电场传感器，对电位信号进行测量记录，从而计算视电阻率，判断沉积层电性分布的方法^[14]。

2010 年，CONSTABLE 综合过去 10 年海洋电磁法投入商业应用发展的情况^[15]，指出随着仪器系统的逐步发展和反演算法的进步，CSEM 采集得到的电磁数据已成为施工前油气储层判断和部署的必需数据。近些年正朝着更先进的正反演算法以及更精细的数据处理方向发展。2015 年， MYER^[16]等利用模糊目标成像方法结合二维反演实现了对斯卡伯勒气藏的有效探测。2017 年，UM 等^[17]提出了一种便于 CSEM 建模的算子，能实现从三维有限差分模型到四面体网格的转化。2018 年，DUNHAM 等^[18]在油气勘探领域，实现了 3D-CSEM 有限元正演技术的应用。2021 年，ZERILLI 等人^[19]指出了反演方法能够提供饱和度变化的定量估计。2022 年，KARPIAH 等人^[20]利用结构引导的 3D-CSEM 方法帮助评估了储层有效性相关的风险。

国内 CSEM 相关研究具有后发优势。2018 年，刘嵘等^[21]利用有限向量的混合求解结合积分法解决了三维海洋可控源电磁法的建模难题。景建恩等^[22]在完成采集多处站点海洋电磁数据后，对天然气水合物所处深度进行了有效推断。2019 年，郭振威等^[23]利用 3 种模型对 2 类网格实现了对比，结果显示结构化网格相较非结构化方法更适配 CSEM 勘探过程。李予国等^[24]将时频谱法有效运用到了 CSEM 数据分析中。2021 年，汪轩等^[25]提出了应用功率谱分析实现自动化压制畸变的策略。 2022 年，何展翔等人^[26]基于岩层特征建立了海水、油气层等共 5 种类型介质电阻率的有效表达。2023 年，齐治澎等^[27]提出了一种带约束的一维自适应时频电磁联合反演算法，结合实测数据、层状模型以及页岩气地电模型对该方法实现了测试。海洋可控源电磁系统对沉积层下的油气和矿产勘探中取得了成功，但它们往往仅适用于大偏移距或深层水域，在较小目标探测领域无法复刻。

相较油气资源，小掩埋目标的电场探测则起步较晚，由西方国家率先研究。1982 年，GROW^[28] 将测量电极布设至沙层底部，成功确认沉船位于沙底 3 m 处。1997 年，PARASNIS^[29]在《应用地球物理学原理》中指出了电法探测，特别是电阻抗成像技术（Electrical Impedance Tomography， EIT）在目标探测方面的优势，不同材料表现为不同电学性质，利用低强度、低频率的电流根据电阻抗映射关系能够对目标内部结构进行电导率图像绘制。

2004 年，CHURCH 等^[30]利用 EIT 阵列进行了水下掩埋目标探测实验，如图1 所示，对匹配滤波算子的有效性进行了验证。电极阵列中，一对电极用于受激励源刺激发射信号，利用其余电极采集的电位数据重建空间电导率分布图像，通过分析目标特征存在引起的局部电导率扰动实现检测。2 年后， CHURCH 团队^[31]利用 EIT 阵列进行了首次掩埋雷体探测实验，利用提出的匹配滤波检测算法降低了虚警率，研制了实际环境探测样机，在与电极间距相近的空间分辨率下可靠重建了浅埋目标在土壤中的电导率扰动。

2012 年，SCHULTZ 等人^[32]应用辅助源和有限元方法建模得到了一种高效的电磁传感系统布置策略，结合水槽进行了可控源实验，对影响探测系统噪声水平的因素进行了探究。开放水域实验设计了一个线源阵列，由 4 个平行的 2.5 m 长线源组成，线源末端为直径 5 cm 的石墨电极，线源之间放置三轴感应线圈接收器，如图2 所示。对不同形状、不同材质的金属掩埋目标进行了探测，针对信号衰减、目标散射以及沉积层对电场探测效果的影响进行了分析，发现提高接收极间距能够帮助电场信号采集。图3 是实验现场的布局：数据采集装置在甲板上，源信号、接收信号和 GPS 输出信号通过线缆传输给船端。

2013 年，法国布雷斯特大学^[33]研制了一种用于浅水的拖曳式电磁浅地层剖面仪（Marine Profiler with Penetrating Electromagnetics， MAPPEM）， MAPPEM 系统的主体是长 100 m 的拖鱼，拖鱼贴近海底航行；在船上通过系统同步记录，实时处理多个信号，包括拖鱼上 C1 和 C2 两极的发射源信号，拖缆上 P1 的压力计记录的深度和高度信号， P2 至 P19 采集的电位信号。直流电以一定频率注入到拖鱼系统的 2 个极端之间，然后经拖缆上 18 个碳纤维电极采集水下电位信号，计算出视电阻率，实现水底浅地层剖面进行绘制。在布雷斯特地区，针对电极距离、拖曳速度以及垂直/水平效应对噪声等级的影响进行了探究。下图是 MAPPEM 系统的整体结构以及其拖鱼结构。

同年，BOUCHETTE 等^[34]在水族箱中进行电阻抗成像实验，如图6 所示，数据采集系统在水箱上方，水箱中填 12 cm 高的泥沙，加 30 cm 高的水，电极阵列浸没在水中，由 4 个尼龙螺栓固定通过滑轮滚动实现 x 方向精确位移，通过调整螺母实现 z 方向的升降。对目标尺寸、形状、导电性以及锈蚀等因素的影响进行了探究，同时还研究了如沉积物类型、水体浊度、盐度等其它因素对探测效果的影响。

国内基于电场探测掩埋小目标的相关研究较少，实际应用内容几乎空白。西北工业大学张立琛^[35]对海水中极低频电磁波传播特性进行了研究，建立了极低频电磁波模拟场源水平磁偶极子模型、分层介质中极低频电磁场的简化传播模型。海军工程大学的喻鹏等^[36]基于镜像法对电偶极子在海水–沉积物双介质层中产生的电场进行了理论推导，结合理论计算了不同掩埋深度和不同沉积物电导率下的电场数据，利用水池实验进行了长期泥沙掩埋监测。赵越等人^[37]提出了一种通过发射电场源，获取目标时域感应电磁二次场响应，从而计算得到全时视电导率，通过反演获得目标的多个参数特征，根据反演结果对目标进行分类和识别的方法。

4 结束语

主动电场探测作为一种新方法，西方发达国家数年前已有完善的装备系统，为了捍卫海洋权益和建设维护水下电气线路，我国学者需要加倍努力，发展出完备的高水平水下掩埋目标电场探测系统。当前，国内水下电场传感器相关研究正不断发展，微弱电场信号检测算法日趋完善，正是完善和发展电场探测技术，为民用和军用领域服务的好时机。

参考文献