瞬变电磁法因为其探测效率高、对低阻体敏感、分辨异常体能力强等特点,现已被广泛应用在资源勘探、环境调查、考古探测等诸多领域。按照勘探方式的不同,瞬变电磁法可以分为:地面瞬变电磁法、地空瞬变电磁法和航空瞬变电磁法。地空瞬变电磁法是近些年新兴的一种地球物理方法,采用地面发射空中接收的探测形式,相较于其他两种探测方式,它具有施工方便快捷、不受复杂地形限制、探测高效、安全、空间分辨率更好等优点。瞬变电磁法接收系统一般使用感应式空心线圈传感器,其具有无磁芯损耗和固有线性频率的特点,适合瞬变电磁信号的接收。地空瞬变电磁法探测开展研究时间较短,研究主要集中在垂直分量的采集与处理上,传感器方面也只采用单分量线圈传感器。但在线圈传感器被无人机吊起进行空中探测时,一方面由于无人机与传感器采用软连接,另一方面由于外界风力、惯性等问题,使传感器容易出现倾斜和摇晃的现象,这一现象对数据的准确性带来了较大影响。而且,如果为了采集三分量数据使用三个单分量线圈传感器,会造成重量过重增加无人机飞行功耗,降低探测效率。基于此,本文研制了一种地空瞬变电磁三分量线圈传感器,在控制传感器重量的同时,可以对X、Y、Z三个分量的数据进行采集,在数据处理时利用水平分量数据对垂直分量数据进行补偿,把传感器倾斜和摇晃引入的误差降到最低。本文主要研究工作如下:1.首先介绍了地空瞬变电磁方法和其线圈传感器的工作原理,分析了传感器的结构和影响其灵敏度及信噪比的因素,确定了传感器的绕线方式、匝数、线圈面积等;根据传感器设计需求,设计了前置放大电路和低噪声电源电路;通过分析传感器输出的幅频、相频特性误差,对传感器匹配电阻的阻尼系数进行了标定,使输出误差降到最低;通过分析传感器本底噪声来源并确定在有效频带内占主导地位的噪声,对传感器的运算放大器进行了选择,以降低传感器本底噪声;为记录传感器空中姿态,选用了陀螺仪对姿态数据进行测量和存储。2.针对三分量线圈传感器三个线圈轴心不正交的问题,本文给出了由测量得到的电压值转换到磁感应强度值的公式,并根据磁场强度不变原理,建立了正演模型和反演模型,根据反演模型可以求出三轴的不正交度数,以此来对存在误差的数据进行校正,并通过数据验证此模型的可行性。3.搭建了传感器的数据测试采集平台,根据地空瞬变电磁三分量线圈传感器性能指标,选定了采集卡,并利用Lab VIEW实现了数据的实时显示与储存,且对上位机软件进行了设计;为实现与地面发射系统同步,选用了GPS模块,对其电路进行了设计,实现了秒脉冲信号与同步信号的同步并且利用STM32对其采集到的经纬度等数据进行了解析储存,方便后续数据处理。4.对所设计的传感器进行了相应测试,测试结果表明:传感器水平分量本底噪声约(?),垂直分量的本底噪声约(?),X、Y、Z三轴灵敏度分别为8.4nT/s、9.8nT/s、18.5nT/s;利用反演模型对实测数据进行不正交度校正之后,其总场误差值在±8n T左右,所设计的传感器三轴不正交度分别为3.1°,2.7°,1.2°;对GPS模块同步性进行测试,同步信号与秒脉冲信号对齐良好,误差在20μs以内;发射与接收系统秒脉冲信号误差小于15ns,达到设计预期;对传感器进行标定,标定结果显示,垂直分量输出实测曲线与仿真曲线的残差平方和为2.54×10-6,水平分量两条曲线的残差平方和为7.93×10-8,曲线拟合度足够高,输出误差较小可忽略不计;通过实测数据后期处理可知,与单分量线圈水平时相比,线圈倾斜后的数据会有一定的偏差,如在地下160m处视电阻率误差为30Ωm,但利用水平分量对垂直分量补偿后,在地下160m处视电阻率误差为5Ωm,效果得到明显改善,因传感器倾斜或摇晃引入的误差得到降低。