磁共振探测（Magnetic Resonance Sounding,MRS）技术是一种新型地球物理探测方法,该方法利用水中氢质子的顺磁性,实现对地下水的直接探测和定量评估,近年来在近地表水文特征参数分析方面得到广泛应用。传统磁共振探测技术的探测背景场为天然地磁场,采集到的信号仅为纳伏（n V）级别,易被噪声淹没,信噪比较低。为了从源头解决探测信噪比低的问题,本文提出了预极化场磁共振探测技术,大幅度提高了地下浅层的磁共振信号幅度。此外,对于赋存状态复杂的多孔隙地下水,磁共振信号以多指数自由感应衰减（Free Induce Decay,FID）信号形式存在。目前已有的单指数反演方法较为稳定,但对于复杂含水构造的反演,存在精度不足的问题。多指数反演方法充分考虑了复杂孔隙水磁共振信号的多指数现象,能够实现精确的地下水成像,但是其数据量过大、反演效率低。本文针对此问题,将分形维数理论与含水层孔隙分布结合来描述孔隙大小,引入了展宽指数C作为孔隙分形维数精确模拟磁共振信号,提出展宽指数反演方法。该方法在单指数反演基础上增加了一个展宽指数C,逼近多指数信号的衰减,其优势是反演数据量小、计算速度快,反演精度高。因此,本论文开展了基于预极化场的展宽指数（Stretched-exponential,SE）反演方法研究,对野外实践工程应用有着重要意义。本文完成了以下研究内容和创新性成果:1.实现了预极化场磁共振的正演计算。通过研究预极化场磁共振探测方法的基本原理,利用COMSOL Multiphysics仿真软件实现了对模型空间的三维网格剖分,计算了预极化场、发射磁场以及感应磁场。预极化场磁共振探测背景场为预极化场与地磁场的合场,但两者在空间中的关系较为复杂,本文选用旋转坐标系来简化这一问题。然后根据预极化场磁共振原理推导了预极化场磁共振灵敏度核函数表达式以及正演信号表达式。最后阐述了分辨率矩阵的计算方法及含义,利用分辨率矩阵对中央线圈探测模式与传统重叠线圈探测模式进行对比分析。证明了中央线圈探测模式的优越性。2.针对单指数反演精度不足,多指数反演数据量过大的问题,提出并推导了利用全部磁共振信号波形,并考虑地下多孔隙复杂含水层磁共振信号多指数特性的展宽指数反演方法。运用吉洪诺夫正则化和高斯牛顿迭代法得到地下含水量w、平均弛豫时间T2*和展宽指数C三种信息的分布情况。对于反演过程中正则化参数选取的问题,采用差异原则法选取最优正则化参数。实现了地下含水量的高精度成像。3.构建了三种含水模型,在重叠线圈和中央线圈两种探测模式下,分别利用数值仿真对三种模型进行了展宽指数反演和QT单指数反演并计算其均方根误差（Root Mean Squared Error,RMSE）。展宽指数反演方法可以实现含水量w、平均弛豫时间T2*以及展宽指数C的三参数成像,考虑了磁共振信号的多指数特性。QT单指数反演仅可以实现含水量w和平均弛豫时间T2*的双参数成像,未考虑磁共振信号的多指数特性。综合比较,展宽指数反演对含水量以及平均弛豫时间的反演效果更优。验证了展宽指数反演方法的准确性和有效性。