随着我国城市化进程的不断加快,地上空间难以继续承受城市建设的扩张速度,开发城市地下空间已然成为今后土地利用的发展方向。我国各城市的地下基础设施建设工程正在不断开展,然而,由于地层的自然缺陷和人为破坏,开发城市地下空间的施工过程中事故频发。因此,利用物探技术先行了解地层结构具有重要意义。瞬变电磁法具有穿透性强、成像分辨率高、无损探测等特点,针对城市地下空间结构的调查具有明显优势,但传统的瞬变电磁探测方法采用大回线铺设,存在较大的浅层探测盲区,且城区道路空间狭小,大规模的探测系统无法在城市中直接应用。小回线瞬变电磁装置由于其探测效率高、作业方式灵活的特点,逐渐受到工程与环境勘探领域的关注,但现有技术无法满足实际探测的需求。除发射电流的关断时间外,收发线圈间互感产生的一次场干扰和接收线圈过渡过程引起的信号畸变是限制小回线瞬变电磁装置浅层探测能力的主要原因。本文面向城市地下空间的浅层探测需求,对改善探测盲区的关键技术展开研究,设计了一种基于偏心补偿的城市地下空间瞬变电磁探测系统,通过测试实验验证了系统的有效性。论文主要工作内容如下:（1）对小回线瞬变电磁探测方法进行了研究,阐释了小回线瞬变电磁装置的工作原理和结构特征。基于瞬变电磁基本理论,建立了基于导电环的数值分析模型,通过理论建模的方法对小回线装置的信号响应规律进行了分析,并总结了限制小回线装置探测性能的因素,明确了造成浅层探测盲区的原因,为系统整体的设计方案提供了依据。（2）针对小回线收发装置互感严重导致一次场干扰过大的问题,为了尽可能保留早期信号特征,缩短浅层探测盲区,在利用毕奥-萨伐尔定律分析发射线圈周围区域磁场强度分布规律的基础上,提出了弱磁耦合偏心自补偿结构设计,介绍了偏心自补偿消耦结构的设计原理,基于纽曼积分公式建立了偏心线圈互感的数学模型,并针对实际装置可能存在的误差,提出了基于消耦稳定性的线圈偏心位置优化方法,定义了评估装置抵抗误差能力的稳定性系数,并综合探测灵敏度和一次场屏蔽能力,确定了系统装置结构的具体参数。（3）针对传统接收线圈带宽不足、二次场信号失真严重的问题,在分析线圈感应原理和各参数对传感器性能影响的基础上,提出了面向浅层探测的等间隔差分空心线圈传感器设计。建立了灵敏度、信噪比和谐振频率关于线圈尺寸和匝数的映射关系,以信噪比和谐振频率为约束条件确定了线圈的设计参数,分析了线圈的幅频特性,并针对二次场在线圈上的过渡过程进行了阻尼系数优化,优化后的线圈3 dB带宽可达128 kHz,相比于常规绕制的线圈带宽拓展了54.2%。结合探测性能需求,设计了与差分线圈匹配的低噪声前置放大器,在建立电路噪声模型的基础上,归类分析了噪声来源和噪声的功率密度分布。（4）基于上述重点研究内容和关键技术,搭建了关断过程快、采样速率高、人机交互简便的小回线瞬变电磁系统主机,实现了收发系统的一体化和小型化。在分析发射电流特性的基础上,设计了带有无源恒压钳位的发射逆变电路,并根据发射系统的功能要求搭建了隔离驱动电路和逻辑控制电路。利用高速数据采集卡和嵌入式上位机主板搭建了接收系统,并在LabVIEW环境下开发了易于操作的数据采集软件。最后,使用本文研制的系统进行了室内测试实验和城市地下空间野外探测实验。在长春市城区的实验结果表明,该系统能够在城市复杂环境下对地下空间进行探测,验证了仪器系统的有效性和可靠性。综上所述,本文研究的小回线瞬变电磁探测技术和仪器系统可作为评估城市地下空间资源的有效探测手段,为我国城市地下空间的合理规划奠定了基础。