1 引言
电磁勘探法是地球物理探测的一个重要分支，其通过观测天然场源或人工场源激发的电磁响应，实现对地电结构信息的提取。然而，传统电磁法的发射和接收装备均位于地表，工作效率低，特别是在沙漠、戈壁、山地和湿地等复杂区域难以开展工作。全航空电磁法采用空中发射空中接收，观测效率高，但通常受到平台搭载能力的限制，使得发射装置功率有限。半航空电磁法（Semi airborne Electromagnetic Method, SAEM）采用地面发射、空中接收的工作方式，其结合了传统航空电磁法和地面电磁法的优势，相比地面电磁法具有更好的地形适应性，相比航空电磁法探测深度更大。为了在辽阔的国土面积上实现大深度、高精度、广覆盖地球物理探测，开展半航空电磁探测方法与技术研究显得十分必要。
2 SAEM系统概述
20世纪70年代初诞生了世界上首套SAEM探测系统Turair（加拿大产），90年代以后，FlairTEM（南非产）、TerraAIR（加拿大产）、GREATEM（日本产）等SAEM探测系统也相继问世。自2010年以来，吉林大学、中国科学院电子学研究所、长安大学、成都理工大学等单位均就SAEM方法技术与装备系统开展了深入研究，并取得了快速的研究进展、获得了良好的应用效果。
（a)
(b)
图1 传统SAEM系统配置（引自文献[1]）
在SAEM方法的早期，回线源被作为发射天线，如图1a所示。随着GREATEM系统的出现，长接地电性源也被用作发射天线，如图1b所示。在接收方面，SAEM系统通常使用感应磁力计来观测大地的电磁场响应。在上述系统中，由于传感器和采集装置仍然很重，直升机被作为飞行平台（图2a）。随着科技的发展，无人机运载能力提升，传感器和采集系统也进一步优化和减重，现在观测系统也可以由无人机运载（图2b）。
(a)
(b)
图2 常规SAEM观测系统(a)直升机平台；（b）无人机平台（引自文献[1]）
3 SAEM国际装备
Turair为SAEM频率域系统（Semi-Airborne Frequency-domain Electromagnetic system, SAFEM）,其采用磁性源发射，典型发射回线尺寸为2 km×4 km，采用15kW发电机供电，发射基频200或400 Hz，电流幅度为4~10A，Bird位于飞机下方30m。
FlairTEM系统由Elliott Geophysics International Pty Ltd公司开发，以Zonge公司的地面电法装备为基础，开展航空适应性升级改进，使其能够满足SAEM探测需求。FlairTEM系统使用Zonge公司的发射机发射1~32 Hz的占空比为1:1的方波，发射功率最大可达25 kW。接收机使用Zonge公司的GDP32，接收线圈有效面积为1000 m2。接收磁场z、x分量数据，Bird距地表约50m。
TerraAir系统由Fugro公司开发，为SATEM（Semi-Airborne Time-domain Electromagnetic system, SAFEM）系统，其采用Geonics公司的EM-37系统作为发射装置，采用Fugro公司的GEOTEM接收系统实现基于直升机的航空观测。TerraAir系统典型地面发射回线的边长为1 km，发射电流为5.25 A，相应的关断时间为278 
。接收机的采样频率大于20 kHz，接收时持续工作，且不与发射机同步，系统探测区域的边长大约为发射回线边长的四倍左右。
GREATEM系统由日本北海道大学提出。发射机最大输出为（500V，50A）供电，发射电流为24A，发射波形为占空比为1:1的双极性方波，频率为0.625Hz（1.6s）。GREATEM使用的Bird有两种型号：鲶型适用于大探深，被拖挂在直升机上；鳗型Bird中除三轴感应式磁场传感器外，还包括数据控制PC，高精度同步时钟等，通过电缆与飞鱼内的仪器相连。此外，在地面上还使用一个三轴线圈来观测环境及人文噪声。
2016年以来，在DESMEX（Deep Electromagnetic Sounding for Mineral Exploration）项目的支持下，德国多家科研机构及企业共同开展新型SAEM电磁法系统，该系统继承了LOTEM的部分技术，选择频域处理以期更容易地实现对工频噪声的去除，并可较为灵活地选择受系统运动噪声影响较小的信号频点，从而获得较高的信噪比。该系统典型的发射电流幅度为20Ａ，发射基频为10.41Hz、占空比50%的双极性方波。采用Metronix ADU-07采集单元记录数据，观测信号带宽为1Hz至10kHz。以直升机作为飞行平台，采用管状吊舱搭载传感器，可搭载两种不同的传感器：一种是磁通门-感应线圈组合传感器，另一种是基于SQUID的磁力计。系统采用高精度GPS同步，实现发射电流与磁场相应的同步观测与记录，并利用惯导系统记录吊舱的高程、姿态等信息。
4 SAEM国内装备
国内科研团队研发了多套半航空电磁装备。以吉林大学林君院士团队研究开发的半航空时频协同探测系统（图3）为例，其重点是传感器和发射器的研制和优化、飞行噪声抑制和SAEM快速成像方法。该系统利用地面大功率发射系统激发强电磁信号，采用无人飞艇或无人机作为载体搭载接收系统进行电磁数据的移动测量，可实现沙漠、沼泽、森林等人员难以进入的复杂地貌区域的无接触式快速测量，能够在拓展可探测区域的同时，提升探测效率。并且，该系统兼容性较好，分别可在近源区与远源区进行时间域和频率域测量，利用时间域近区测量实现中浅部物性结构探测、频率域远区测量实现中深部物性结构探测的特点，通过时间域与频率域在探测区域和探测深度上的互补性，实现全区域、大深度范围电磁探测。
图3 吉林大学半航空电磁探测装备（引自文献[1]）
中国科学院电子学研究所于2013年开始研制以无人机为搭载平台的半航空瞬变电磁勘探系统（图4），其特点是长航时、大探深、多分量、平台移植性强等。该系统具有接近有人机平台的勘探飞行时长，可实现正交三分量瞬变电磁信号的观测。该系统采用高精度的惯导差分GPS系统实现电磁观测平台的坐标与姿态监测，实现精细的姿态校正，从而提高数据处理精度。大功率地面发射单元、低噪声宽带磁传感器及多通道接收单元三者之间的优化设计实现了大深度与高分辨率探测。2015年以来，SATEM系统开展了数次基于勘探应用的飞行测试，通过飞行测试结果与已有资料的比对，结果表明，该系统能够有效的分辨地下介质的电导率信息，是一套稳定、高效、可实用的探测系统。
图4 中国科学院无人机平台半航空瞬变电磁勘探系统（引自文献[1]）
参考文献
[1] 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．
[2] 林君, 薛国强, 李貅. 半航空电磁探测方法技术创新思考[J]. 地球物理学报, 2021, 64(9): 2995-3004.
[3] 刘富波, 李巨涛, 刘丽华, 等. 无人机平台半航空瞬变电磁勘探系统及其应用[J]. 地球物理学进展, 2017, 32(5): 2222-2229.