航空重力梯度测量作为二十世纪末发展起来的尖端技术,随着测量系统和处理解释方法的逐步完善,在固体矿产和油气资源勘查中发挥着日益重要的作用,并因其快速、高效和高空间分辨率等特点而备受青睐。航空重力梯度测量技术是目前国际研究热点和难点,成熟的商业勘探技术为美国Lockheed Martin公司垄断,我国在该领域起步较晚,基础相对薄弱。2006年开始,国家863计划开始支持航空重力梯度关键技术研究,经过十多年的努力,国内多个研究团队在多项关键技术上取得了重大突破,并在“十二五”期间实现了实验室静基座条件下重力梯度效应的测量,加快了该项技术的实用化进程。本文围绕突破航空重力梯度测量系统研制关键技术及测量结果实际应用开展研究。首先,系统调研了国外航空重力梯度测量技术研发历程、应用现状和研究动态,详细剖析了旋转加速度计航空重力梯度仪的测量原理和设计思想,梳理了关键技术难点及解决方案,跟踪了系统完善过程中的各项技术改进,为航空重力梯度测量系统自主研制和持续改进提供了参考和借鉴。立足国内基础,制定了基于石英挠性加速度计部分重力梯度张量测量系统总体研制方案。突破多项关键技术,研制完成的重力梯度仪用高分辨率加速度计样机分辨率优于1×10^-8g,重力梯度敏感器实验室测量精度优于70E,重力梯度稳定平台满足载荷要求,性能指标通过飞行测试。完成航空重力梯度测量系统集成、减震和温控方案设计,为“十三五”航空重力梯度测量系统飞行试验和实用化奠定了基础。针对航空应用和在研航空重力梯度测量系统特点,优选Y-12飞机平台,开展了典型航空地球物理勘探条件下的飞机振动、姿态、气压、温度和湿度等环境状态参数测量及研究,详细分析了飞机底板振动的频率特征,揭示了振动信号的周期分布及振动周期与螺旋桨转速基频之间倍频关系的基本规律,总结了不同飞行状态下飞机侧滚、侧滑姿态角的变化特点及变化范围,分析了机舱内气压、温度和湿度随飞行过程的变化情况,为航空重力梯度测量系统量程、结构、减震、温控和气密设计及后续改进完善提供了参考和依据。围绕实际应用,开展了重力梯度异常正演数值模拟和张量分量转换处理方法研究。针对矩形棱柱体重力梯度张量异常通用公式存在解析奇点问题,结合理论推导分析了奇点存在的原因,建立了矩形棱柱体重力梯度张量异常无奇点解析和离散表达式,解决了原有公式正演模拟中需要特殊剖分的问题。根据部分张量重力梯度系统测量结果,推导了基于平面数据的重力梯度张量分量频率域转换处理公式,设计了U_{x y}和U_{x x}-U_{y y}单分量转换处理算法,通过模型试验研究了不同数据长度和不同空间采样率对转换处理效果的影响,深入开展了转换误差分析。在误差分析的基础上,提出了U_{x y}和U_{x x}-U_{y y}分量组合转换处理算法,消除了单分量转换处理面临的频率奇点问题,大大降低了单分量转换处理效果对数据长度的依赖,转换误差大幅下降,显著改善了转换处理效果,提高了算法效率;并通过理论数据添加白噪声模拟实测数据对算法进行了检验,证明了算法的有效性和可靠性。基于GeoProbe Mager软件平台完成重力梯度张量转换处理软件开发,为航空重力梯度技术实用化提供了技术储备。